1、第4章局域网与城域网传统局域网(LocalArea Networks,LAN)是分组广播式网络，这是与分组交换式的广域网的主要区别。在广播网络中，所有工作站都连接到共享的传输介质上，共享信道的分配技术是局域网的核心技术，而这一技术又与网络的拓扑结构和传输介质有关。地理范围介千局域网与广域网之间的是城域网(MetropolitanArea Networks,MAJ寸），城域网采用的技术与局域网类似，两种网络协议都包含在IEEELAN/MAN委员会制定的标准中。本章介绍几种常见的局域网和城域网的有关国际标准，以及工作原理和性能分析方法。4.1 局域网技术概论拓扑结构和传输介质决定了各种LAN的特点
2、，决定了它们的数据速率和通信效率，也决定了适合千传输的数据类型，甚至决定了网络的应用领域。首先概述各种局域网使用的拓扑结构和传输介质，同时介绍两种不同的数据传输系统，最后引导出根据以上特点制定的IEEE802标准。4.1.1 拓扑结构和传输介质1.总线型拓扑总线（如图4-1(a)所示）是一种多点广播介质，所有的站点都通过接口硬件连接到总线上。工作站发出的数据组织成帧，数据帧沿着总线向两端传播，到达末端的信号被终端匹配器吸收。数据帧中含有源地址和目标地址，每个工作站都监视总线上的信号，并复制发给自己的数据帧。由千总线是共享介质，多个站点同时发送数据时会发生冲突，因而需要一种分解冲突的介质访问控制
3、协议。传统的轮询方式不适合分布式控制，总线网的研究者开发了一种分布式竞争发送的访问控制方法，本章将介绍这种协议。适用千总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，这两种传输介质的比较如表4-1所示。传输介质基带同轴电缆宽带同轴电缆表4-1总线网的传输介质数据速率/Mbps10,50(限制距离和节点数）500个信道，每个信道20传输距离/km3 30 站点数100 1000 94 网络工程师教程（第5版）DD DD 丈圈工重丈匹丈(a)总线型(b)环型/i 三(c)星型(d)树型图4-1局域网的拓扑结构对千总线这种多点介质，必须考虑信号平衡问题。任意一对设备之间传输的信号
4、强度必须调整到一定的范围：一方面，发送器发出的信号不能太大，否则会产生有害的谐波，使得接收电路无法工作；另一方面，经过一定距离的传播衰减后，到达接收端的信号必须足够大，能驱动接收器电路，还要有一定的信噪比。如果总线上的任何一个设备都可以向其他设备发送数据，对千一个不太大的网络，譬如200个站点，则设备配对数是39800。因此，要同时考虑这么多对设备之间的信号平衡问题，从而设计出适用的发送器和接收器是不可能的。在制定网络标准时，考虑到这一问题的复杂性，所以把总线划分成一定长度的网段，并限制每个网段接入的站点数。同轴电缆分为传播数字信号的基带同轴电缆和传播模拟信号的宽带同轴电缆。宽带电缆比基带电缆
5、传输的距离更远，还可以使用频分多路技术提供多个信道和多种数据传输业务，主要用在城域网中；而基带系统则主要用千室内或建筑物内部连网。1)基带系统数字信号是一种电压脉冲，它从发送处沿着基带电缆向两端均匀传播，这种情况就像光波在（物理学家们杜撰的）以太介质中各向同性地均匀传播一样，所以总线网的发明者把这种网络称为以太网。以太网使用特性阻抗为50.Q的同轴电缆，这种电缆具有较小的低频电噪声，在接头处产生的反射也较小。一般来说，传输系统的数据速率与电缆长度、接头数量以及发送和接收电路的电气特性有第4章局域网与城域网I 95 关。当脉冲信号沿电缆传播时，会发生衰减和畸变，还会受到噪音和其他不利因素的影响。
6、传播距离越长，这种影响越大，增加了出错的机会。如果数据速率较小，脉冲宽度就比较宽，比高速的窄脉冲更容易恢复，因而抗噪声特性更好。基带系统的设计需要在数据速率、传播距离、站点数量之间进行权衡。一般来说，数据速率越小，传输的距离越远；传输系统（收发器和电缆）的电气特性越好，可连接的站点数就越多。表4-2列出了IEEE802.3标准中对两种基带电缆的规定。这两种系统的数据速率都是lOMbps,但传输距离和可连接的站点数不同，这是因为直径为0.4英寸的电缆比直径为0.25英寸的电缆性能更好，当然价格也较昂贵。表4-2IEEE 802.3中两种基带电缆的规定参数lOBase 5 IOBase 2 电缆直
7、径0.4in(RG-11)0.25in(RG-58)数据速率lOMbps IOMbps 最大段长500m 185m 传播距离2500m 1 OOOm 每段节点数100 30 节点距离2.5m 0.5m 若要扩展网络的长度，可以用中继器把多个网络段连接起来，如图4-2所示。中继器可以接收一个网段上的信号，经再生后发送到另一个网段上去。然而由千网络的定时特性，不能无限制地使用中继器，表4-2中的两个标准都限制中继器的数目为4个，即最大网络由5段组成。2)宽带系统宽带系统是指采用频分多路技术传播模拟信号的系统。不同频率的信道可分别支持数据通信、TV和CD质董的音频信号。模拟信号比数字脉冲受噪声和衰减
8、的影响更小，可以传播更远的距离，甚至达到100km。宽带系统使用特性阻抗为75Q的CATV电缆。根据系统中数模转换设备采用的调制技术的不同，lbps的数据速率可能需要14Hz的带宽，而支持150Mbps的数据速率可能需要300M应的带宽。站亡志志玉图4-2由中继器互连的网络由千宽带系统中需要模拟放大器，而这种放大器只能单方向工作，所以加在宽带电缆上的信号只能单方向传播，这种方向性决定了在同一条电缆上只能由“上游站”发送，而“下游站”接收，相反方向的通信则必须采用特殊的技术。有两种技术可提供双向传输：一种是双缆配置，即用两根电缆分别提供两个方向不同的通路（如图4-3(a)所示）；另一种是分裂配置
9、，即把单根电缆的频带分裂为两个频率不同的子通道，分别传输两个方向相反的信号（如图4-3(b)96 网络工程师教程（第5版）所示）。双缆配置可提供双倍的带宽，而分裂配置比双缆配置可节约大约15%的费用。无源端头。有源端头 f.嚷fi二(a)双缆配笠(b)分裂配笠图4-3宽带系统的两种配置两种电路配置都需要“端头”来连接两个方向不同的通路。双缆配置中的端头是无源端头，朝向端头的通路称为“入径，离开端头的通路称为“出径。所有的站向入径上发送信号，经端头转接后发向出径，各个站从出径上接收数据。入径和出径上的信号使用相同的频率。在分裂配置中使用有源端头，也叫频率变换端头。所有的站以频率Ji向端头发送数据
10、，经端头转换后以频率儿向总线上广播，目标站以fi接收数据。2.环型拓扑环型拓扑由一系列首尾相接的中继器组成，每个中继器连接一个工作站（如图4-1Cb)所示）。中继器是一种简单的设备，它能从一端接收数据，然后在另一端发出数据。整个环路是单向传输的。工作站发出的数据组织成帧。在数据帧的帧头部分含有源地址和目的地址字段，以及其他控制信息。数据帧在环上循环传播时被目标站复制，返回发送站后被回收。由千多个站共享环上的传输介质，所以需要某种访问逻辑来控制各个站的发送顺序。例如，用一种特殊的控制帧一令牌来代表发送的权利，令牌在网上循环流动，谁得到令牌就可以发送数据帧。由千环网是一系列点对点链路串接起来的，所
11、以可使用任何传输介质。最常用的介质是双绞线，因为它们价格较低。使用同轴电缆可得到较高的带宽，而光纤则能提供更大的数据速率。表4-3中列出了常用的几种传播介质的有关参数。表4-3环网的传输介质传输介质数据速率/Mbps中继器之间的距离/km中继器个数无屏蔽双绞线4 0.1 72 屏蔽双绞线16 0.3 250 基带同轴电缆16 1.0 250 光纤100 2.0 240 第4章局域网与城域网_ I 97 3.星型拓扑星型拓扑中有一个中心节点，所有站点都连接到中心节点上。电话系统就采用了这种拓扑结构，多终端联机通信系统也是星型结构的例子。中心节点在星型网络中起到了控制和交换的作用，是网络中的关键设
12、备。星型拓扑的网络布局如图4-1(c)所示。用星型拓扑结构也可以构成分组广播式的局域网。在这种网络中，每个站都用两对专线连接到中心节点上，一对用千发送，一对用千接收。中心节点叫作集线器(Hub)。Hub接收工作站发来的数据帧，然后向所有的输出链路广播出去。当有多个站同时向Hub发送数据时就会产生冲突，这种情况和总线拓扑中的竞争发送一样，因而总线网的介质访问控制方法也适用于星型网。Hub有两种形式，一种是有源Hub,另一种是无源Hub。有源Hub中配置了信号再生逻辑，这种电路可以接收输入链路上的信号，经再生后向所有输出链路发送。如果多个输出链路同时有信号输入，则向所有输出链路发送冲突信号。无源H
13、ub中没有信号再生电路，这种Hub只是把输入链路上的信号分配到所有的输出链路上。如果使用的介质是光纤，则可以把所有的输入光纤熔焊到玻璃柱的两端，如图4-4所示。当有光信号从输入端进来时就照亮了玻璃柱，从而也照亮了所有输出光纤，这样就起到了光信号的分配作用。接收器、发送器/图4-4无源星型光纤网任何有线传输介质都可以使用有源Hub,也可以使用无源Hub。为了达到较高的数据速率，必须限制工作站到中心节点的距离和连接的站点数。一般来说，无源Hub用千光纤或同轴电缆网络，有源Hub则用千无屏蔽双绞线网络。表4-4列出了有代表性的网络参数。表4-4星型网的传输介质传输介质数据速率/Mbps从站到中心节点
14、的距离/km站数无屏蔽双绞线110 0.5(I Mbps),0.1 C lOMbps)几十个基带同轴电缆70 1 几十个光纤1020 l 几十个98 I 网络工程师教程（第5版）为了延长星型网络的传输距离和扩大网络的规模，可以把多个Hub级连起来，组成树型结构，如图4-1Cd)所示。这棵树的根是头Hub,其他节点叫中间Hub,每个Hub都可以连接多个工作站和其他Hub,所有的叶子节点都是工作站。图4-5抽象地表示出头Hub和中间Hub的区别。头Hub可以完成上述Hub的基本功能，然而中间Hub的作用是把任何输入链路上送来的信号向上级Hub传送，同时把上级送来的信号向所有的输出链路广播。这样，整
15、棵Hub树就完成了单个Hub同样的功能：一个站发出的信号经Hub转接，所有的站都能收到。如果有两个站同时发送，头Hub会检测到冲突，并向所有的中间Hub和工作站发送冲突信号。二Ht H,/Ht(a)头Hub(b)中间Hub阳4-5头Hub和中间Hub4.1.2 LAN/MAN的IEEE802标准IEEE 802委员会的任务是制定局域网和城域网标准，目前有20多个分委员会，它们研究的内容如下。C 1)802.1研究局域网体系结构、寻址、网络互联和网络管理。(2)802.2研究逻辑链路控制子层CLLC)的定义。(3)802.3研究以太网介质访问控制协议CSMNCD及物理层技术规范。(4)802.4
16、研究令牌总线网CToken-Bus)的介质访问控制协议及物理层技术规范。(5)802.5研究令牌环网(Token-氏ng)的介质访问控制协议及物理层技术规范。(6)802.6研究城域网介质访问控制协议DQDB及物理层技术规范。(7)802.7宽带技术咨询组，提供有关宽带联网的技术咨询。(8)802.8光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询。(9)802.9研究综合声音数据的局域网(NDLAN)介质访问控制协议及物理层技术规范。C 10)802.10网络安全技术咨询组，定义了网络互操作的认证和加密方法。(11)802.11研究无线局域网CWLAN)的介质访问控制协议及物理层技术规范。(12)
17、802.12研究需求优先的介质访问控制协议(lOOVG-AnyLAN)。(13)802.14研究采用线缆调制解调器(CableModem)的交互式电视介质访问控制协议及物理层技术规范。第4章局域网与城域网l 99(14)802.15研究采用蓝牙技术的无线个人网(WirelessPersonal Area Network,WPAN)技术规范。(15)802.16宽带无线接入工作组，开发266GHz的无线接入系统空中接口。(16)802.17弹性分组环(RPR)工作组，制定了弹性分组环网访问控制协议及有关标准。(17)802.18宽带无线局域网技术咨询组(RadioRegulatory)。(18)
18、802.19多重虚拟局域网共存(Coexistence)技术咨询组。(19)802.20移动宽带无线接入(MBWA)工作组，正在制定宽带无线接入网的解决方案。(20)802.21研究各种无线网络之间的切换问题，正在制定与介质无关的切换业务(MIH)标准。(21)802.22无线区域网(WirelessRegional Area Network,WRAN)工作组，正在制定利用感知无线电技术，在广播电视频段的空白频道进行无干扰无线广播的技术标准。由千局域网是分组广播式网络，网络层的路由功能是不需要的，所以在IEEE802标准中，网络层简化成了上层协议的服务访问点SAP。又由千局域网使用多种传输介质
19、，而介质访问控制协议与具体的传输介质和拓扑结构有关，所以，IEEE802标准把数据链路层划分成了两个子层。与物理介质相关的部分叫作介质访问控制(MediaAccess Control,MAC)子层，与物理介质无关的部分叫作逻辑链路控制(LogicalAccess Control,LLC)子层。LLC提供标准的OSI数据链路层服务，这使得任何高层协议（例如TCP/IP、SNA或有关的OSI标准）都可运行千局域网标准之上。局域网的物理层规定了传输介质及其接口的电气特性、机械特性、接口电路的功能，以及信令方式和信号速率等。整个局域网的标准以及与OSI参考模型的对应关系如图4-6所示。从图4-6中可以
20、看出，局域网标准没有规定高层的功能，高层功能往往与具体的实现有关，包含在网络操作系统(NOS)中，而且大部分NOS的功能都是与OSI/RM或通行的工业标准协议兼容的。应用层表示层会话层传输层网络层局域网的体系结构说明，在数据链路层应口巠竺座层当有两种不同的协议数据单元：LLC帧和MAC物理层帧，这两种帧的关系如图4-7所示。从高层来的-逻辑链路控制子层介质访问控制子层物理层数据加上LLC的帧头就成为LLC帧，再向下传图4-6局域网体系结构与OSVRM的对应关系送到MAC子层加上MAC的帧头和帧尾，组成MAC帧。物理层则把MAC帧当作比特流透明地在数据链路实体间传送。1001 网络工程师教程（第
21、5版）用户数据匡i I 三MAC帧LLC帧MAC头l图4-7LLC帧和MAC帧的关系4.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层规范包含在IEEE802.2标准中。这个标准与HDLC是兼容的，但使用的帧格式有所不同。这是由千HDLC的标志和位填充技术不适合局域网，因而被排除，而且帧校验序列由MAC子层实现，因而也不包含在LLC帧结构中。另外，为了适合局域网中的寻址，地址字段也有所改变，同时提供目标地址和源地址。LLC帧格式如图4-8所示，帧的类型如表4-5所示。8位DSAP 8位SSAP 8位或16位控制MX8位信息(a)帧结构飞DD D D D D D 1/G=O 单地址C/R=O 1/G=l
22、组地址C/R=l 巨sssssss命令响应Cb)地址字段1。IN(S)I P/F 信息帧I I I。Is s I。IP/F 管理帧I I I I I M M I.P/F I M M M 无编号帧N(R)N(R)(c)控制字段N(S):发送顺序号M:无编号帧功能位P/F:询问终止位N(R):接收顺序号S:管理帧功能位图4-8LLC帧格式无编号帧信息帧管理帧表4-5LLC帧类型I控制字段编码！命令1.无确认无连接服务1100*000 U1 无编号信息1111*101 XID 交换标识1100*111 TEST 测试2.连接方式服务第4章局域网与城域网I 101 响应X江）交换标识TEST 测试信息
23、RR 接收准备好RNR 接收未准备好REJ 拒绝无编号帧三三：好1111*110 SABME 置扩充异步平衡方式无编号帧4.2.1 LLC地址1100*010 1100*110 1111*000 1110*001 DISC 断开3.有确认无连接服务1110*110 I ACO 无连接确认1110*111 ACl 无连接确认UA 无编号确认DM 断开方式FRMR 帧拒绝ACl 无连接确认ACO 无连接确认LLC地址是LLC层服务访问点。IEEE802局域网中的地址分两级表示，主机的地址是MAC地址，LLC地址实际上是主机中上层协议实体的地址。一个主机可以同时拥有多个上层协议进程，因而就有多个服务
24、访问点。IEEE802.2中的地址字段分别用DSAP和SSAP表示目标地址和源地址（如图4-8所示），这两个地址都是7位长，相当千HDLC中的扩展地址格式。另外增加的一种功能是可提供组地址，如图中的1/G位所示。组地址表示一组用户，而全1地址表示所有用户。在源地址字段中的控制位CIR用千区分命令帧和响应帧。4.2.2 LLC服务LLC提供了以下3种服务。(1)无确认无连接的服务。这是数据报类型的服务，这种服务因其简单而不涉及任何流控和差错控制功能，因而也不保证可靠地提交。使用这种服务的设备必须在高层软件中处理可靠性问题。102 I 网络工程师教程（第5版）(2)连接方式的服务。这种服务类似千H
25、DLC提供的服务，在有数据交换的用户之间要建立连接，同时也通过连接提供流控和差错控制功能。(3)有确认无连接的服务。这种服务与前面两种服务有所交叉，它提供有确认的数据报，但不建立连接。这3种服务是可选择的。用户可根据应用程序的需要选择其中一种或多种服务。一般来说，无确认无连接的服务用在以下两种情况：一种是高层软件具有流控和差错控制机制，因而LLC子层就不必提供重复的功能，例如TCP或ISO的TP4传输协议就是这样的；另一种情况是连接的建立和维护机制会引起不必要的开销，因而必须简化控制。例如，周期性的数据采集或网络管理等应用场合，偶然的数据丢失是允许的，随后来到的数据可以弥补前面的损失，所以不必
26、保证每一个数据都能可靠地提交。连接方式的服务可以用在简单设备中，例如终端控制器，它只有很简单的上层协议软件，因而由数据链路层硬件实现流控和差错控制功能。有确认无连接的服务有高效而可靠的特点，适合千传送少量的重要数据。例如，在过程控制和工厂自动化环境中，中心站需要向大量的处理机或可编程控制器发送控制指令。由千控制指令的重要性，所以需要确认。但如果采用连接方式的服务，则中心站必然要建立大量的连接，数据链路层软件也要为建立连接、跟踪连接的状态而设置和维护大量的表格。这种情况下使用有确认无连接的服务更有效。另外一个例子是传送重要而时间紧迫的告密或紧急控制信号。由于重要，所以需要确认；由千紧急，所以要省
27、去建立连接的时间开销。4.2.3 LLC协议LLC协议与HDLC协议兼容（如表4-5所示），它们之间的差别如下。C 1)LLC用无编号信息帧支持无连接的服务，这叫LLC1型操作。(2)LLC用HDLC的异步平衡方式支待LLC的连接方式服务，这种操作叫LLC2型操作。LLC不支持HDLC的其他操作。(3)LLC用两种新的无编号帧支持有确认无连接的服务，这叫LLC3型操作。(4)通过LLC服务访问点支持多路复用，即一对LLC实体间可建立多个连接。这3类LLC操作都使用同样的帧格式，如图4-8所示。LLC控制字段使用LLC的扩展格式。LLC 1型操作支持无确认无连接的服务。无编号信息帧CUI)用千传
28、送用户数据。这里没有流控和差错控制，差错控制由MAC子层完成。另外，有两种帧XID和TEST用千支待与3种协议都有关的管理功能。XID帧用于交换两类信息：LLC实体支持的操作和窗口大小；而TEST帧用千进行两个LLC实体间的通路测试。当一个LLC实体收到TEST命令帧后，应尽快第4章局域网与城域网1103 发回TEST响应帧。LLC2型操作支持连接方式的服务。当LLC实体得到用户的要求后可发出置扩展的异步平衡方式帧SABME,另一个站的LLC实体请求建立连接。如果目标LLC实体同意建立连接，则以无编号应答帧UA回答，否则以断开连接应答帧DM回答。建立的连接由两端的服务访问点唯一地标识。连接建立
29、后，使用I帧传送数据。I帧包含发送I接收顺序号，用千流控和捎带应答。另外，还有管理帧辅助进行流控和差错控制。数据发送完成后，任何一端的LLC实体都可发出断连帧DISC来终止连接。这些与HDLC是完全相同的。LLC 3型操作支持有确认无连接的服务，要求每个帧都要应答。这里使用了一种新的无连接应答帧AC(Acknowledged Connectionless)。信息通过AC命令帧发送，接收方以AC响应帧回答。为了防止帧的丢失，使用了1位序列号。发送者交替在AC命令帧中使用0和1,接收者以相反序号的AC帧回答，这类似千停等协议中发生的过程。4.3 IEEE 802.3标准对总线型、星型和树型拓扑最适
30、合的介质访问控制协议是CSM幻CD(CarrierSense Multiple Access/Collision Detection)。早期对CSM凶CD协议有较大影响的是20世纪70年代美国夏威夷大学建立的ALOHA网络，其中运行的ALOHA协议的效率只有0.184,即使是经过改进的分槽的ALOHA协议效率也只有0.368,大部分时间都被工作站之间的竞争发送浪费了，后来制定的CSM幻CD协议效率则要高得多，详见下面的分析。4.3.1 CSMA/CD协议ALOHA系统效率不高，主要缺点是各个工作站独立地决定发送的时刻，使得冲突概率很高，信道利用率下降。如果各个站在发送之前先监听信道上的发送情况
31、，信道忙时后退一段时间再发送，就可大大减少冲突概率。这就是在局域网上广泛采用的载波监听多路访问(CSMA)协议。对千局域网，监听是很容易做到的。在局域网中，最远两个站之间的传播时延很小，只有几微秒，只要有站在发送，别的站很快就会听到，从而可避免与正在发送的站产生冲突。同时，帧的发送时间行相对千网络延迟要大得多，一个帧一旦开始成功地发送，则在较长一段时间内可保待网络中有效地传输，从而大大提高了信道利用率。CSMA的基本原理是：站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定：(1)若信道空闲，是否立即发送。(2)若信道忙，
32、是否继续监听。1041 网络工程师教程（第5版）即使信道空闲，若立即发送仍然会发生冲突。一种情况是远端的站刚开始发送，载波信号尚未到达监听站，这时监听站若立即发送，就会和远端的站发生冲突；另一种情况是虽然暂时没有站发送，但碰巧两个站同时开始监听，如果它们都立即发送，也会发生冲突。所以，上面的控制策略的第Cl)点就是想要避免这种虽然稀少、但仍可能发生的冲突。若信道忙时，如果坚持监听，发送的站一旦停止就可立即抢占信道。但是，有可能几个站同时都在监听，同时都抢占信道，从而发生冲突。以上控制策略的第(2)点就是进一步优化监听算法，使得有些监听站或所有监听站都后退一段随机时间再监听，以避免冲突。1.监听
33、算法监听算法并不能完全避免发送冲突，但若对以上两种控制策略进行精心设计，则可以把冲突概率减到最小。据此，有以下3种监听算法（如图4-9所示）。I=常数或可变延迟=I-信道忙非坚持型如果空闲，则发送否则后退，再试准备发送-_ l _ 1-坚持型P-坚持型只要信道变闲，就可立即发送信道变闲时以概率P发送，如果冲突，后退再试否则延迟一个时槽图4-9三种监听算法(1)非坚持型监听算法。这种算法可描述如下：当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。若信道空闲，立即发送，否则转。若信道忙，则后退一个随机时间，重复CD。由千随机时延后退，从而减少了冲突的概率。然而，可能出现的问题是因为后退而使信道闲置一段时间，
34、这使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。(2)1-坚待型监听算法。这种算法可描述如下：当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。若信道空闲，立即发送，否则转。若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送。这种算法的优缺点与前一种正好相反：有利千抢占信道，减少信道空闲时间。但是，多个站同时都在监听信道时必然会发生冲突。第4章局域网与城域网,I 105(3)P-坚持型监听算法。这种算法汲取了以上两种算法的优点，但较为复杂。这种算法描述如下。若信道空闲，以概率P发送，以概率(1-P)延迟一个时间单位。一个时间单位等千网络传输时延!o若信道忙，继续监听直到信道空闲，转。如果发送延迟一个时间单位r,则重复O
35、。困难的问题是决定概率P的值，P的取值应在重负载下能使网络有效地工作。为了说明P的取值对网络性能的影响，假设有n个站正在等待发送，与此同时，有一个站正在发送。当这个站发送停止时，实际要发送的站数等千nP。若nP大千1,则必有多个站同时发送，这必然会发生冲突。这些站感觉到冲突后若重新发送，就会再一次发生冲突。更糟的是其他站还可能产生新帧，与这些未发出的帧竞争，更加剧了网上的冲突。极端清况下会使网络吞吐率下降到0。若要避免这种灾难，对千某种n的峰值，nP必须小千l。然而，若P值太小，发送站就要等待较长的时间。在轻负载的情况下，这意味着较大的发送时延。例如，只有一个站有帧要发送，若P=O.L则以上算
36、法的第O步重复的平均次数为1/P=lO,也就是说，这个站平均多等待9倍的时间单位!o各种监听算法以及ALOHA算法中网络负载和信道利用率的关系曲线如图4-10所示。可以看出，P值小的监听算法对信道的利用率有利，但是引入了较大的发送时延。1.0 0.9 0.8 不坚持CSMA0.7 0.6 s 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 。2 3 4 5 6 7 8 9 G 图4-10各种随机访问协议的G-S曲线2.冲突检测原理载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后，若继续发送，I 106 网络工程师教程（第5版）将会浪费网络带宽。如果帧比较长，对带宽的浪费就大了。为了进一
37、步改进带宽的利用率，发送站应采取边发边听的冲突检测方法，即：(I)发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。(2)若比较结果一致，说明没有冲突，重复(I)。(3)若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号(Jamming),使所有站都停止发送。(4)发送Jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。带冲突检测的监听算法把浪费带宽的时间减少到检测冲突的时间。对局域网来说，这个时间是很短的。在图4-11中画出了基带系统中检测冲突需要的最长时间。这个时间发生在网络中相距最远的两个站(A和D)之间。在to时刻，A开始发送。假设经过一段时
38、间C(网络最大传播时延）后，D开始发送。D立即就会检测到冲突，并能很快停止。但A仍然感觉不到冲突，并继续发送。再经过一段时间,A才会收到冲突信号，从而停止发送。可见，在基带系统中检测冲突的最长时间是网络传播延迟的两倍，把这个时间叫作冲突窗口。与冲突窗口相关的参数是最小帧长。三/。叶飞冲突帧百正常帧盲.勹卢设想图4-11中的A站发送的帧较短，在2,时间内已经发送完毕，这样A站在整个发送期间将检测不到冲突。为了避免这种情况，网络标准中根据设计的数据速率和最大网段长度规定了最小帧长Lmin图4-11以太网中的冲突时间L皿0=2R X d Iv(4.1)这里R是网络数据速率，d为最大段长，v是信号传播
39、速度。有了最小帧长的限制，发送站必须对较短的帧增加填充位，使其等千最小帧长。接收站对收到的帧要检查长度，小千最小帧长的帧被认为是冲突碎片而丢弃。3.二进程指数后退算法上文提到，检测到冲突发送干扰信号后退一段时间重新发送。后退时间的多少对网络的稳定工作有很大影响。特别是在负载很重的情况下，为了避免很多站连续发生冲突，需要设计有效的后退算法。按照二进制指数后退算法，后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数第4章局域网与城域网I 107 关系。或者说，随着重发次数n的增加，后退时延t隘的取值范围按2的指数增大。即第一次试发送时n的值为O,每冲突一次n的值加1,并按下式计算后退时延。=random
40、O,2勹t=乒(4.2)其中，第一式是在区间0,2n中取一均匀分布的随机整数.第二式是计算出随机后退时延。为了避免无限制的重发，要对重发次数n进行限制，这种情况往往是信道故障引起的。通常当n增加到某一最大值（例如16)时，停止发送，并向上层协议报告发送错误。当然，还可以用其他的后退算法，但二进制指数后退算法考虑了网络负载的变化情况。事实上，后退次数的多少往往与负载大小有关，二进制指数后退算法的优点正是把后退时延的平均取值与负载的大小联系了起来。4.CSMA/CD协议的实现对千基带总线和宽带总线，CSM幻CD的实现基本上是相同的，但也有一些差别。差别之一是载波监听的实现。对于基带系统，是检测电压
41、脉冲序列。由于以太网上的编码采用Manchester编码，这种编码的特点是每位中间都有电压跳变，监听站可以把这种跳变信号当作代表信道忙的载波信号。对千宽带系统，监听站接收RF载波以判断信道是否空闲。差别之二是冲突检测的实现。对千基带系统，是把直流电压加到信号上来检测冲突的。每个站都测量总线上的直流电平，由千冲突而迭加的直流电平比单个站发出的信号强，所以IEEE 802标准规定，如果发送站电缆接头处的信号强度超过了单个站发送的最大信号强度，则说明检测到了冲突。然而，信号在电缆上传播时会有衰减，如果电缆太长，就会使冲突信号到达远端时的幅度小千规定的CD门限值。为此，标准限制了电缆长度(500m或2
42、00m)。对千宽带系统，有几种检测冲突的方法。方法之一是把接收的数据与发送的数据逐位比较。当一个站向入径上发送时，同时（考虑了传播和端头的延迟后）从出径上接收数据，通过比较发现是否有冲突；另外一种方法用千分裂配置，由端头检查是否有破坏了的数据，这种数据的频率与正常数据的频率不同。对千双绞线星型网，冲突检测的方法更简单（如图4-12所示）。在这种情况下，Hub监视输入端的活动，若有两处以上的输入端出现信号，则认为发生冲突，并立即产生一个“冲突出现”的特殊信号CP,向所有输出端广播。图4-12Ca)是无冲突的情况。在图4-12Cb)中连接A站的Illub检测到了冲突，CP信号被向上传到了HHub,
43、并广播到所有的站。图4-12C c)表示的是三方冲突的例子。108 I 网络工程师教程（第5版）A B C(a)A发送C(b)A和B同时发送叉超E(c)A、B和C同时发送图4-12星型网的冲突检测4.3.2 CSMA/CD协议的性能分析下面分析传播延迟和数据速率对网络性能的影响。吞吐率是单位时间内实际传送的位数。假设网上的站都有数据要发送，没有竞争冲突，各站轮流发送数据，则传送一个长度为L的帧的周期为tp十行，如图4-13所示。由此可得出最大吞吐率为L T=L tP+t1 d/v+L/R(4.3)其中，d表示网段长度，v为信号在铜线中的传播速度（光速的65%77%),R为网络提供的数据速率，或
44、者称为网络容量。同时可得出网络利用率T t E=LIR=f R dlv+LIR t+t p f(4.4)利用a=t/tr得E=_J_ a+l(4.5)这里假定是全双工信道，MAC子层可以不要应答，而由LLC子层进行捎带应答。得出的结论是：a(或者Rd的乘积）越大，信道利用率越低。表4-6列出了LAN中a值的典型情况。可以看出，对千大的高速网络，利用率是很低的。所以在跨度大的城域网中，同时传送的不只第4章局域网与城域网1109 是一个帧，这样才可以提高网络效率。值得指出的是，以上分析假定没有竞争，没有开销，是最大吞吐率和最大效率。实际网络中发生的情况更差，详见下面的讨论。传输时陲alt。勹发送开
45、始厂发送结束社1I I 了接收开始1。十气厂接收结束t0+l+a二发送时f司=l总线占用时间=l+a效率=1/(l+a)发送时间=l言言I I 产匕口(a)aI Cb)a,?;I 图4-13a对网络利用率的影响表4-6a值和网络利用率数据速率/Mbps帧长位网络跨度/kma 1/(1+a)1 100 1 0.05 0.95 1 I 000 10 0.05 0.95 l 100 10 0.5 0.67 10 100 1 0.5 0.67 10 1 000 1 0.05 0.95 10 1 000 10 0.5 0.67 10 10000 10 0.05 0.95 100 35 000 200 2
46、.8 0.26 100 I 000 50 25 0.04 4.3.3 MAC和PHY规范最早采用CSM幻CD协议的网络是Xerox公司的以太网。1981年，DEC、Intel和Xerox三家公司制定了DIX以太网标准，使这一技术得到越来越广泛的应用。IEEE802委员会制定局110 I 网络工程师教程（第5版）域网标准时参考了以太网标准，并增加了几种新的传输介质。读者下面会看到，以太网只是802.3标准中的一种。1.MAC帧结构802.3的帧结构如图4-14所示。字节数7 I 2或62或62 0-1500 0-46 4，前导字段1帧起始符1目的地址1源地址1长度1 数据1 填充1校验和图4-1
47、4802.3的帧格式每个帧以7个字节的前导字段开头，其值为10101010,这种模式的曼彻斯特编码产生lOM比么持续9.6s的方波，作为接收器的同步信号。帧起始符的代码为10101011,它标志着一个帧的开始。帧内的源地址和目标地址可以是6字节或2字节长，lOMbps的基带网使用6字节地址。目标地址最高位为0时表示普通地址，为1时表示组地址，向一组站发送称为组播(Multicast)。全l的目标地址是广播地址，所有站都接收这种帧。次最高位（第46位）用千区分局部地址或全局地址。局部地址仅在本地网络中有效，全局地址由IEEE指定，全世界没有全局地址相同的站。IEEE为每个硬件制造商指定网卡(NI
48、C)地址的前3个字节，后3个字节由制造商自己编码。长度字段说明数据字段的长度。数据字段可以为0,这时帧中不包含上层协议的数据。为了保证帧发送期间能检测到冲突，802.3规定最小帧为64字节。这个帧长是指从目标地址到校验和的长度。由千前导字段和帧起始符是在物理层加上的，所以不包括在帧长中，也不参加帧校验。如果帧的长度不足64字节，要加入最多46字节的填充位。早期的802.3帧格式与DIX以太网不同，DIX以太网用类型字段指示封装的上层协议，而IEEE 802.3为了通过LLC实现向上复用，用长度字段取代了类型字段。实际上，这两种格式可以并存，两个字节可表示的数字值范围是065535,长度字段的最
49、大值是1500,因此150165 535之间的值都可以用来标识协议类型。事实上，这个字段的153665535(Ox06000 xFFFF)之间的值都被保留作为类型值，而01500则被用作长度的值。许多高层协议（例如TCP/IP、IPX、DECnet4)使用DIX以太网帧格式，而IEEE802.3/LLC在AppleTalk-2和NetBIOS中得到应用。IEEE 802.3x工作组为了支持全双工操作开发了流量控制算法，这使得帧格式出现了一些变第4章局域网与城域网I 111 化，新的MAC协议使用类型字段来区分MAC控制帧和其他类型的帧。IEEE802.3x在1997年2月成为正式标准，使得原来
50、的“以太网使用类型字段而IEEE802.3使用长度字段”的差别消失。2.CSMA/CD协议的实现IEEE 802.3采用CSM幻CD协议，这个协议的载波监听、冲突检测、冲突强化和二进制数后退等功能都由硬件实现。这些硬件逻辑电路包含在网卡中。网卡上的主要器件是以太网数据链路控制器(EthernetData Link Controller,EDLC)。这个器件中有两套独立的系统，分别用于发送和接收，它的主要功能如图4-15所示。(a)发送流程Cb)接收流程图4-15EDLC的工作流程iEEE 802.3使用1-坚持型监听算法，因为这个算法可及时抢占信道，减少空闲期，同时实现也较简单。在监听到网络由
