计算机网络之局域网（使用广播信道的数据链路层）（1）概述及传统以太网

一，概述

局域网是专有网络，通常位于一个建筑物内，或者一个校园内，也可以远到几公里的范围。局域网将单位内部的个人计算机连接起来，以便共享资源和交换信息。局域网只具备低三层协议，高层协议由局域网操作系统处理。

1，局域网的主要特点

地理范围、站点数目有限
高的数据传输速率、低误码率
为一个单位所拥有：易于建立、维护、扩展

2，局域网主要优点

能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

3，决定局域网特性的主要技术要素

拓扑结构：总线型、环型、星型、树型
传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤
介质访问控制方法：CSMA/CD、Token Ring、Token Bus

星型结构：
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环型结构：
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总线型结构：
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4，媒体共享技术

所有局域网，都是同一传输介质连接了多个站，而各站都是对等的，这就需要有一种仲裁方式来控制各站使用介质的方式，这就是介质访问方式。对介质的访问方法有共享媒体和交换方式。

1）静态分配信道：FDM、TDM、、WDM、CDMA

特点：信道在用户通信时固定分配给用户，用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突。

2）动态媒体接入控制：

又称为多点接入(multiple access)。

特点：是信道并非在用户通信时固定分配给用户。

随机接入：所有的用户可随机地发送信息：要解决媒体访问冲突的问题，如CSMA/CD
受控接入：用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制，如令牌、轮询

使用随机接入的以太网作为重点来讨论，，受控接入使用的局域网较少，因此不再讨论。

二，传统以太网

1，以太网的工作原理

以太网的两个标准： IEEE 802.3 和 DIX Ethernet

思想来源于20世纪60年代的ALOHA网络，共享无线广播信道的分组交换网络，夏威夷大学
1975年，Xerox公司研制成功了Ethernet，以曾经在历史上表示传播电磁波的以太来命名的基带总线局域网，数据率为2.94Mb/s

1980年， DEC、 Xerox、Intel共同制定了10Mbps的以太网标准DIX Ethernet V1；1982年修改为DIX Ethernet V2；

1983年，IEEE802委员会制定了802.3局域网标准（多个拓扑类型），速率从1M到10Mbps，802.3标准与DIX Ethernet V2略有差别。

是否定义网络层？

由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。

是否定义高层？

局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。

IEEE802标准的主要成员：

802.1A——局域网体系结构
802.1B——寻址、网络互连与网络管理
802.2——-逻辑链路控制(LLC)
802.3——-CSMA/CD访问控制方法与物理层规范
802.3i——10Base-T访问控制方法与物理层规范
802.3u——100Base-T访问控制方法与物理层规范
802.3ab—–1000Base-T访问控制方法与物理层规范
802.3z——1000Base-SX和-LX访问控制方法与物理层规范
802.4——-Token-Bus访问控制方法与物理层规范
802.5——-Token-Ring访问控制方法
802.6——-城域网访问控制方法与物理层规范
802.7——-宽带局域网访问控制方法与物理层规范
802.8——-FDDI访问控制方法与物理层规范
802.9——-综合数据话音网络
802.10——网络安全与保密
802.11——无线局域网访问控制方法与物理层规范
802.12——100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范

物理层：

透明传输位流，规定信号编码、传输媒体、拓扑结构及数据率.

数据链路层：

在IEEE802标准中，按功能划分为两个子层：LLC和MAC
在DIX V2标准中为 MAC层

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为了适应多个局域网标准，IEEE 802.3 将数据链路层拆成两个子层：LLC (Logical Link Control)子层和MAC (Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关。

IEEE802标准的主要成员关系：

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由于因特网使用了DIX V2而非802.3，因此现在的网卡基本没有LLC。

2，以太网的介质访问控制：CSMA/CD协议

1）问题的提出：
用简单的方法，使近距离互连的计算机可以方便、可靠、高速地进行数据通信。

2）解决思路
使用总线：无源可靠
特点：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。采用广播通信，点-点通信可用地址策略实现。

以太网的广播方式发送：
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总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。

由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。

其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

3)采取两种方法以简化通信：

第一，采用无连接的工作方式.

第二，不编号，不要确认。理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。

对于出错的帧一律丢弃，纠错由高层负责。

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

4）对共享资源的访问控制：

同一时间只允许一台计算机发信息。

介质访问控制方法要解决的问题：

该哪个结点发送数据？
发送时会不会出现冲突？
出现冲突怎么办？

CSMA/CD协议-载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）

多点接入：计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。即：总线型网络，可以连接多个主机

载波监听：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，以免发生碰撞。

即：发数据前侦听，线路空闲才发数据，避免冲突

总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

问题：
CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象。既然发前检测，空闲才发，为什么还会冲突？

因为电磁波有传播延迟，当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。

电磁波在总线上的有限传播速率的影响 ：

A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。

B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。

碰撞的结果是两个帧都变得无用。

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解决办法：
使用带冲突检测的载波监听多点访问CSMA/CD

原理：
发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。

CSMA/CD可概括为四句话：
先听后发、边听边发
冲突即停、延迟重发

碰撞检测：边检测边发送，发现冲突立即停止，稍候再发

检测的是信道上的信号电压大小。

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。

当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。

每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

3、争用期（contention period）

问题：最晚多久可以发现碰撞？

设总线的端到端的往返时延，即总线上最远端两个站之间的往返时延2τ。

显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时既发送又接收。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。

每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网的这一特点称为发送的不确定性。

发送数据帧期间，刚刚开始的一段时间是危险期，即争用期这段时间，如果争用期内没有发现冲突，可以肯定这次发送能够顺利结束。

以太网的端到端往返时延2称为争用期，又称碰撞窗口(collision window)，一般取51.2μs，经过争用期的考验才能肯定数据发送是否成功。

问题1：冲突后等待时间相同，死锁

解决办法：截断二进制指数类型退避算法TBET

问题2：最短有效帧长， 51.2μs * 10M/s = 512bit = 64B

如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

强化碰撞：
为使每个站都能尽早知道是否发生了碰撞，还采取一种强化碰撞措施。即当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除立即停止发送数据，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

4，传统以太网的连接方法

传统以太网可使用的传输媒体有四种：

铜缆（粗缆或细缆）
铜线（双绞线）
光缆

这样，以太网就有四种不同的物理层。

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5，以太网的信道利用率

一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间  使得信道上无信号在传播)时为止，共需平均时间为 Tav。

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令 A 为某个站发送成功的概率，则

$A = P[某个站发送成功] = N*p*(1 – p)^{N – 1}$ (1)

显然，某个站发送失败的概率为 1-A。因此，

$P[争用期为 j 个] = P[发送 j 次失败但下一次成功] = (1 – A)^jA$ (2)

争用期的平均个数等于帧重发的次数 $N_R$ ：

(3)

N_{R} = \sum_{j = 0}^{\infty} j \cdot (1 - A)^{j} \cdot A = (1 - A) / A

$N_R=\sum_{j=0}^\infty j\cdot(1-A)^j \cdot A=(1-A)/A$

求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：
(4)

s = \frac{T_{0}}{T_{a v}} = \frac{T_{0}}{a \cdot τ \cdot N_{R} + T_{0} + τ} = \frac{1}{1 + a (2 \cdot A^{- 1} - 1)}

$s=\frac{T_0}{T_{av}}={T_0\over{a\cdot\tau\cdot N_R+T_0 +\tau}}=\frac{1}{1+a(2\cdot A^{-1}-1)}$

其中,参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。
(5)

a = \frac{τ}{T_{0}}

$a={\tau\over T_0}$

最大信道利用率:

若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率。
将(1)式对 p 求极大值，得出当 $p = 1/N$ 时可使 A等于其极大值 $A_{max}$ ：

(6)

A_{m a x} = [1 - \frac{1}{N}]^{N - 1}

$A_{max}=[1-{1\over N}]^{N-1}$
当

N \to \infty 时 ， A_{m a x} = \frac{1}{e} \approx 0.368

$N\to \infty时，A_{max}={1\over e}\approx0.368$

信道利用率的最大值 Smax :

将(6)式中的 Amax 值代入(4)式，即得出信道利用率的最大值 $S_{max}$ 。
取 $A_{max}={1\over e}\approx0.368$ 时，(4)式可简化为：

$S_{max}\approx{1\over {1+4.44 a}}$ $N \to \infty$

若 $a\to 0$ ，则信道利用率的最大值可达到 100%。

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基于网络交换机的网络：
使用交换机后，可建立多个并发的通信。允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制,网络总带宽=n/2*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；

例如：
8个端口可建立4个并发通信，总带宽 = (8/2)*10Mbps= 40 Mbps

交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)：
1) 端口下接站点：站点独占10Mbps带宽
2) 端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽

交换式以太网的特点：

独占传输通道，独占带宽
允许多对站点同时通信
灵活的接口速度
高度的可扩充性和网络延展性
易于管理、便于调整网络负载的分布
可以与现有网络兼容
互联不同标准的局域网