局域網(wǎng)計算機通信原理

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1、Click to edit Master title style,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,局域網(wǎng)計算機通信原理,局域網(wǎng)的特性,傳輸媒體,雙絞線,、,同軸電纜,和,光纖,；在特殊環(huán)境下，,也可考慮使用,微波,、,紅外線,和,激光,等,無線傳輸媒體,傳輸技術,使用傳輸媒體進行通信的技術，常用的有,基帶傳輸,和,寬帶傳輸,網(wǎng)絡拓撲,指組網(wǎng)時的電纜鋪設形式，常見的有總線形、星形和環(huán)形。,局域網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲描述對應網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)收發(fā)的方式,訪問控制方法,網(wǎng)絡設備訪問

2、傳輸媒體的控制方法，,常用的有競爭、令牌傳遞和令牌環(huán)等,局域網(wǎng)的特點,網(wǎng)絡覆蓋范圍?。?25,公里以內(nèi)）,選用較高特性的傳輸媒體：高的傳輸速率和低的傳輸誤碼率,硬軟件設施及協(xié)議方面有所簡化,媒體訪問控制方法相對簡單,采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)信號，一個結(jié)點發(fā)出的信號可被網(wǎng)上所有的結(jié)點接收，不考慮路由選擇的問題，甚至可以忽略,OSI,網(wǎng)絡層的存在。,計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),應用層,各種應用層協(xié)議,（,TELNET,FTP,SMTP,等,）,表示層,會話層,運輸層,TCP,UDP,網(wǎng)絡層,IP,數(shù)據(jù)鏈路層,與各種網(wǎng)絡接口,物理層,OSI,模型,IP,協(xié)議族,物理層,OSI,模型的最底層,主要任務是：確定與傳

3、輸媒體的接口的一些特性,機械特性：接線器的形狀，尺寸，引線數(shù)目等,電氣特性：電壓范圍,功能特性：某一電平的電壓表示的意義,規(guī)程特性：不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序,數(shù)據(jù)鏈路層,在物理層提供的服務基礎上向網(wǎng)絡層提供服務,數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議,其目的是在給定的通信鏈路上提供發(fā)送端和接送端之間的無差錯信息傳輸。,數(shù)據(jù)鏈路層功能,幀同步功能,差錯控制,流量,控制,鏈路控制,美國電氣和電子工程協(xié)會（,IEEE,）于,1980,年,2,月成立局域網(wǎng)標準化委員會（簡稱,802,委員會）專門對局域網(wǎng)的標準進行研究，并提出了,LAN,的定義。,LAN,是允許中等地域內(nèi)的眾多獨立設備通過中等速率的物理信道直接互連通

4、信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。,邏輯鏈路控制子層,CSMA/CD,令牌總線,令牌環(huán)網(wǎng),數(shù)據(jù)鏈路層,物理服務,物理層,以太網(wǎng)（,Ethernet,）,以太網(wǎng)使用載波監(jiān)聽,CSMA/CD（,多路訪問/沖突檢測）,載波監(jiān)聽,：發(fā)送結(jié)點在發(fā)送信息幀之前，必須偵聽媒體是否處于空閑狀態(tài)。,多路訪問,：具有兩種含義，即表示多個結(jié)點可以同時訪問媒體，也表示一個結(jié)點發(fā)送的信息幀可以被多個結(jié)點所接受。,沖突檢測,：發(fā)送結(jié)點在發(fā)送信息幀的同時，還必須監(jiān)聽媒體，判斷是否發(fā)生沖突（在統(tǒng)一時刻，有無其他結(jié)點在發(fā)送信息幀）。,準備好要發(fā)送的幀,是否檢測到信號？,經(jīng)過幀間空隙時段后，,發(fā)送數(shù)據(jù),碰撞？,完整傳輸,設置嘗試計數(shù)器,溢出指示

5、位,發(fā)送阻塞，,增加嘗試計數(shù)器,嘗試計數(shù)器溢出？,計算和等待補償時間,是,否,是,是,否,否,發(fā)送信息,輸入信號檢測？,將,Carrier Sense,置為開，,并等待,SFD,FCS,和幀大小合適？,目標地址匹配？,傳輸幀到更高協(xié)議層,子層進行處理,丟掉幀,接收信息,否,是,是,是,否,否,退避算法,對每一幀，當?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，設置參量,L,2,。,退避間隔取,1,到,L,個時間片中的一個隨機數(shù)。,當幀重復發(fā)生一次沖突，則將參量,L,加倍。,設置一個最大重傳次數(shù)，超過這個次數(shù)，則不再重傳，并報告出錯。,以太網(wǎng)幀格式,前導碼,（7字節(jié)）,幀起始定界符,（1字節(jié)）,目標地址,（6字節(jié)）,源地址

6、,（6字節(jié)）,類型,（2字節(jié)）,信息,（,n,字節(jié)）,幀填充,FCS,幀校驗序列,（4字節(jié)）,MAC,頭,MAC,尾,前導碼,：長度為7字節(jié)，可以使,LAN,上所有的其他站點達到同步。,SFD,幀定界符,，也稱為幀起始定界符，格式為10101011，占用1字節(jié)。,目標地址,：占用6字節(jié)。,源地址,：占用6字節(jié)。,類型,：占用2字節(jié)。,信息,：占用01500字節(jié)。,幀填充,：如果數(shù)據(jù)長度小于46字節(jié)，則把它填充到46字節(jié)。,FCS,：,幀校驗序列，占用4字節(jié)采用32位,CRC,循環(huán)厐余校驗。用來做錯誤校驗控制。,以太網(wǎng)的優(yōu)缺點,以太網(wǎng)的優(yōu)點,在成千上萬的結(jié)點中都安裝了這種流行的標準。,協(xié)議簡單易

7、懂，特別是協(xié)議中關于關于錯誤處理的部分。,可以安裝和刪除結(jié)點，且不會打亂網(wǎng)絡。,在低負載的情況下，可以得到高吞吐量。,以太網(wǎng)的缺點,幀的最小值是,64,字節(jié)，短幀具有較高的額外費用。,不確定性，不能保證在一個已定時隙內(nèi)的訪問，這是一個實時應用程序的問題。,沒有辦法去區(qū)分通信量優(yōu)先次序。,有限的電纜長度。,當使用量接近最大值時，沖突會引起性能快速下降。,令牌總線網(wǎng)（,Token-Bus,）,基本原理：,1.,在總線的基礎上，通過在網(wǎng)絡結(jié)點之間有序地傳遞令牌（一組特定的比特模式）來分配各結(jié)點對共享型總線的訪問權(quán)利，形成閉合的邏輯環(huán)路。,.,完全采用半雙工的操作方式，只有獲得令牌的結(jié)點才能發(fā)送信息，

8、其他結(jié)點只能接收信息，或者被動地發(fā)送消息（在擁有令牌的結(jié)點要求下，發(fā)送信息）,.,為了保證邏輯閉合環(huán)路的形成，每個結(jié)點都動態(tài)地維護著一個連接表，該表記錄著本結(jié)點在環(huán)路中的前繼、后繼和本結(jié)點的地址，每個結(jié)點根據(jù)后繼地址確定下一占有令牌的結(jié)點。,1,1,3,5,2,4,令牌總線網(wǎng)結(jié)構(gòu),令牌總線網(wǎng),幀,格式,PA,=1,SD,1,FC,1,DA,2/6,SA,2/6,DATA-UNIT,=0,FCS,4,ED,1,PA:,前導碼，用于收發(fā)同步。,SD:,幀,開始定界符，表示一個有效,幀,的開始。,FC:,幀,控制字段，用于區(qū)分,幀,的類型。字段格式為,FFMMMPPP.,DA:,目標地址。,SA:,

9、源地址，它和,DA,長度必須相同。,DATA-UNIT:,根據(jù),FC,的定義，可以包含,LLC,協(xié)議數(shù)據(jù)單元、,MAC,管理數(shù)據(jù)、和,MAC,控制,幀,的數(shù)據(jù)。,FCS:,幀,校驗序列，對,SD,和,ED,之間的所有字段進行循環(huán)垅冗余校驗。,ED:,幀,結(jié)束標志，標識,幀,的結(jié)束，同時也標識了,幀,中,FCS,的位置。,（）令牌的傳遞,有令牌的結(jié)點在發(fā)送完消息后，執(zhí)行環(huán)路維護工作，將令牌傳遞給后繼結(jié)點。,監(jiān)聽媒體。監(jiān)聽到合法幀的傳遞，后繼結(jié)點已獲得令牌，并正常工作；如果在規(guī)定時間內(nèi)未監(jiān)聽到信息在媒體上的傳輸，執(zhí)行一次令牌重傳。,如仍然未能監(jiān)聽到合法幀的傳輸，原后繼結(jié)點已撤出環(huán)路，開始尋找后繼和

10、環(huán)路重構(gòu)過程。,發(fā)送“尋找后繼命令幀”，（原后繼結(jié)點的地址為數(shù)據(jù)字段）。,原后繼結(jié)點的后繼結(jié)點用“設置后繼命令幀”予以響應。,雙方修改各自連接表中的后繼,/,前繼地址，傳遞令牌，恢復正常工作。,(,二）令牌丟失的處理,結(jié)點設“環(huán)不工作計時器”：,（,1,）在規(guī)定的時間內(nèi)，未能監(jiān)聽到媒體上有信號傳輸，環(huán)不工作計時器超時，則環(huán)路中令牌丟失，或者環(huán)路處于初始工作狀態(tài)；,（,2,）所有感知環(huán)不工作的結(jié)點，采用競爭總線的方法爭奪生成令牌的權(quán)利：,A.,各結(jié)點根據(jù)本結(jié)點地址信息和一定的規(guī)則，形成不同長度的“要求令牌命令幀”，發(fā)送媒體并監(jiān)聽媒體；,B.,不同的地址形成不同長度的幀幾乎“同時”發(fā)往媒體時，會產(chǎn)

11、生沖突。,C.,結(jié)點在發(fā)送幀之后，監(jiān)聽媒體時，發(fā)短幀的結(jié)點會“監(jiān)聽”到其他結(jié)點的幀正在發(fā)送。發(fā)最長幀的結(jié)點感覺不到媒體上有信號的結(jié)點，贏得生成令牌的權(quán)利，執(zhí)行環(huán)路重構(gòu)的過程。,（三）多個令牌的處理,令牌重復,：環(huán)路中同時具有多個令牌，由獲得令牌的結(jié)點進行處理。,判斷令牌重復,：獲得令牌的結(jié)點，如果感知媒體上有信號傳輸，表示有其他結(jié)點也掌握著令牌（令牌重復）。,解決方法,：立即放棄令牌，并回到監(jiān)聽模式，這樣可以使令牌數(shù)不少過,1,。,后果,：如果持有令牌的站都放棄令牌，則出現(xiàn)無令牌狀態(tài)。當一個站在大于規(guī)定的時間內(nèi)測出總線沒有活動，就認為令牌丟失。可以再使用令牌丟失的處理。,（）環(huán)路重構(gòu),目的,：

12、各結(jié)點填寫連接表，重新構(gòu)造邏輯環(huán)。環(huán)路不工作后，獲得生成令牌權(quán)利的結(jié)點進行環(huán)路維護。,（,1,）,發(fā)出“請求后繼命令幀”：尋找可能的后繼結(jié)點；,（,2,）,限定響應結(jié)點的范圍，在此范圍內(nèi)的結(jié)點用“設置后繼命令幀”響應。,（,3,）,若有多個適合的結(jié)點予以響應（出現(xiàn)沖突），用“解決沖突命令幀”進一步限定范圍，直至有且僅有一個結(jié)點予以響應；,（,4,）,置連接表中的后繼地址，并傳遞令牌給該后繼結(jié)點；,（,5,）,后繼結(jié)點接收令牌，將令牌中的源地址置為連接表中的前繼地址，如果本結(jié)點維護的連接表中沒有指定后繼結(jié)點，則重復上述“尋找”后繼的動作。,（,6,）,最終，環(huán)路形成，并且令牌返回原生成令牌的結(jié)點

13、，完成環(huán)路重構(gòu)動作，開始正常的工作。,（二）增加新結(jié)點,（,1,）無響應，令牌持有站依然把令牌傳遞給它的后繼站；,（,2,）收到一個正確的響應，則進行環(huán)路重構(gòu)；若新結(jié)點符合后繼的要求，用“設置后繼命令幀”響應。接受令牌的新站點把它的上一站地址,(Ps),和下一站地址,(Ns),地址參數(shù)設置好，環(huán)繼續(xù)運行下去。,（,3,）收到了碰撞的響應，既有多個站請求插入邏輯環(huán)，這種沖突可以通過一種競爭來解決。這個過程一直持續(xù)到下面的三種情況之一：收到一個有效的置后繼站幀；無響應；已到達地址位的末尾。在后兩種請求下，持有令牌的站放棄讓新站加入環(huán)的企圖，照常傳遞令牌。,（,4,）無效響應，此時令牌持有站認為協(xié)議

14、出了問題，為了避免沖突，令牌持有站轉(zhuǎn)到監(jiān)聽狀態(tài)。,（三）結(jié)點退出環(huán)路,方法,1,：結(jié)點可以在任意時刻，不采取任何動作地搬出環(huán)路。該結(jié)點的前繼會自控開始尋找新后繼的過程（令牌維護）,方法,2,：指定時刻退出環(huán)路。希望撤出環(huán)路的結(jié)點僅在收到令牌之后，用“置后繼命令幀”，將其后繼結(jié)點地址告訴前繼結(jié)點，并傳遞令牌，撤出環(huán)路。,令牌總線的優(yōu)缺點,優(yōu)點,出色的吞吐量性能。這一性能不因線路長度增加而下降。,支持大的動態(tài)范圍，沒有相對信號強度方面的問題。,媒體訪問有調(diào)節(jié)。,缺點,算法復雜。,開銷時間較大。在輕負載下，站點為了使令牌轉(zhuǎn)一圈而等待不必要的時間。,令牌環(huán)網(wǎng),(Token,Ring,),基本原理：,環(huán)

15、形網(wǎng)的所有結(jié)點通過環(huán)接口設備（又稱環(huán)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器,RPU,）接入環(huán)路，一系列的環(huán)路（傳輸媒體，有時也稱鏈路）和,RPU,組成了整個環(huán)路。,環(huán)中繼轉(zhuǎn)發(fā)器,(RPU,）,下行鏈路,上行鏈路,環(huán)行局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu),等待令牌,等待發(fā)送幀嗎？,轉(zhuǎn)發(fā)令牌,將,R,位設為幀優(yōu)先級,傳送幀,轉(zhuǎn)發(fā)令牌,令牌優(yōu)先級,幀優(yōu)先級嗎？,令牌優(yōu)先級,幀優(yōu)先級嗎？,R,位,幀優(yōu)先級嗎？,在環(huán)循環(huán)后去掉幀,將,A,和,C,位傳遞至更高層,是,是,是,是,否,否,否,否,發(fā)送信息,等待幀被接受,將幀傳至更高層,復制并重復幀,重復幀,進入,Xmit,例程,是否食令牌？,是該節(jié)點的幀？,是,是,否,否,接收信息,（字節(jié)）,令牌幀,（字節(jié)

16、）,信息幀,（字節(jié)）,AC,字段,幀開始,/,結(jié)束標志（,SD/ED,）,：標識幀的開始和結(jié)束，取值為,JK0JK000,和,JK1JK1IE,；,E,位（差錯標志）：由,RPU,置位，,RPU,在轉(zhuǎn)發(fā)每個幀的同時，也執(zhí)行差錯校驗動作，并利用,RPU,具有的一位延遲來置位差錯標志。,訪問控制字段（,AC,）,：,Pr/,Rr,：本幀優(yōu)先級和預定優(yōu)先級，,T,：令牌標識，,T,0,時，標識對應幀為令牌幀，,T,1,時，標識對應幀為信息幀。,M,：監(jiān)視位，由環(huán)路中的監(jiān)控器（或者具有監(jiān)控功能的,RPU,）填寫，發(fā)送結(jié)點發(fā)送該幀（或令牌）時，,M,置為,0,，當該幀經(jīng)過監(jiān)控器時，監(jiān)控器將該位置為,1,。如果監(jiān)控器發(fā)現(xiàn)監(jiān)視位已經(jīng)被置為,1,，則認為發(fā)送結(jié)點出了故障，未能按規(guī)定撤出該幀，此時監(jiān)控器負責撤出該幀，并發(fā)出令牌幀。,幀控制字段（,FC,）,：格式為“,FFzzzzzz,”,；,FF,：幀的種類，,FF=00,，,MAC,控制幀；,FF=10,，管理幀。,FF=01,，數(shù)據(jù)幀，本幀攜帶的,LLC,幀填放在,DATA,字段中,幀狀態(tài)標志（,FS,）,：格式為“,ACxxACxx,”,；由發(fā)送