计算机局域网络

第 6 章 计算机局域网络6.1 大纲要求本章的主要内容： 计算机局域网及介质访问控制方法、高速网络技术、结构化布线 本章要求掌握的内容： 计算机局域网、城域网，数据传输的介质及介质访问控制方法、高速网络技术、结 构化布线 本章的重点和难点： 重点是理解计算机局域网及其变种城域网都具有报文分组广播网络的特性， 计算机 局域网中数据传输的物理介质、介质访问控制（MAC） 、逻辑链路控制，高速局域 网技术在局域网中的应用 难点是理解介质访问控制方法6.2 难点提要6.2.1 局域网概述局域网（LAN－Local Area Network）是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传 输媒体连接起来的通信网络， 通过功能完善的网络软件， 实现计算机之间的相互通信和共享 资源。

美国电气和电子工程协会 （IEEE） 1980 年 2 月成立局域网标准化委员会 于 （简称 802 委员会）专门对局域网的标准进行研究，并将 LAN 定义为允许中等地域内的众多独立设备 通过中等速率的物理信道直接互连通信的数据通信系统。

1．局域网的特点 局域网具有以下特点： 范围有限，用户个数有限，仅用于办公室、工厂、学校等内部网络。

高传输速率和低误码率。

传输介质较多，既可用通信线路（如电话线） ，又可用专门的线路（如同轴电缆， 光纤，双绞线等） 。

局域网侧重共享信息的处理， 广域网侧重共享位置准确无误及传输的安全性。

决定 局域网特征的主要技术：连接各种设备的拓扑结构、数据传输形式、介质访问控制 方法。

2．局域网的关键技术 局域网的设计中，关键的技术因素在于三点：拓扑结构、传输形式、介质的访问控制技 术。

（1）拓扑结构。

局域网具有几种典型的拓扑结构：星型结构、环型结构、总线或树型 结构。

星型拓扑结构中集中控制方式较少采用， 而分布式星型结构在现代的局域网中采用较多，交换技术的发展使星型结构被广为采用。

环型结构是一种有效结构形式，也是一种分布 式控制。

总线型结构可以实行集中控制，但较多的是采用分布控制。

（2）传输形式。

局域网的传输形式有两种：基带传输和宽带传输。

典型的传输介质有 双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤、电磁波等。

使用不同的传输介质可得到不同 的网络性能。

（3）介质访问控制方法。

介质访问控制方法也叫做信道访问控制方法，主要有五类方 法：固定分配、需要分配、适应分配、探询访问和随机访问。

3．局域网体系结构 为了规范 LAN 的设计，IEEE 的 802 委员会针对各种局域网的特点，并且参照 ISO/OSI 参考模型， 制定了有关局域网的标准 （称为 IEEE 802 系列标准） IEEE 802 标准遵循 ISO/OSI 。

参考模型的原则，解决最低两层（物理层和数据链路层）的功能及与网络层的接口服务、网 际互联有关的高层功能，但把数据链路层分为逻辑链路控制 LLC 子层、介质访问控制 MAC 子层， 使数据链路功能中与硬件有关的部分和硬件无关的部分分开， 降低研制互联不同类型 物理传输接口数据设备的费用。

IEEE802 标准诞生于 1980 年 2 月，故称为 802 标准。

其由物理层、介质访问控制层、 逻辑链路控制层、网际层组成。

为了能够加深理解，让其与 OSI 标准相对应。

在名称上与 OSI 模型有所不同，但在实质是一样的。

要注意加强理解在各种类型的网中。

相同名称的层 对应的功能有所不同，这是由于各种网络其本身的特点造成的。

比如 OSI 模型的数据链路 层在局域网中就被分为介质访问控制（MAC）子层与逻辑链路控制子层。

MAC 子层负责解 决设备使用共享信道的问题，而 LLC 子层完成通常意义下的数据链路层功能。

IEEE 802.3、IEEE 802.4、IEEE 802.5 的比较： IEEE 802.3 总线网由于结构简单、安装容易、控制协议简单及总线可靠性高而被广 泛使用，另外在轻负载时可以获得很好的延迟特性。

但网络负载增加时，由于冲突 会引起网络性能下降。

IEEE 802.4 令牌网使用高可靠性的有线电视电缆，可以同时支持多个通道。

适用于 实时系统；由于不存在冲突检测，因而不需要限制帧的最小宽度。

IEEE 802.4 总线 网使用了大量的模拟技术，导致延迟特性差、协议相当复杂；这种网络用户使用得 比较少。

IEEE 802.5 令牌环网使用“点-点”链接，因而可以使用多种介质。

IEEE 802 系列标准间的关系为：图 6－1IEEE 802 系列标准间的关系从图 6－1 可以看出，LAN 的数据链路层实际上被划分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC） ，并且 LAN 之间的差别主要体现在物理层和 MAC 子 层。

LAN 物理层主要定义结点和传输媒体的接口特性，包括机械特性、电气特性等；LAN 的 MAC 子层则定义结点共享传输媒体时采用的访问控制技术， 包括借助于物理层的无差错 传输技术等；LAN 的 LLC 子层屏蔽不同的 MAC 子层之间的差异，以便提供统一的接口； LAN 的网络层功能被简化，在单个 LAN 设计时可以忽略，或者可以认为 OSI/RM 的更高层 通过虚拟的网络层直接引用 LLC 子层的服务。

6.2.2 介质访问控制方法1．CSMA/CD 介质访问控制 CSMA/CD 是 Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection 的缩写, 含有两方面 的内容:即载波侦听（CSMA）和冲突检测（CD） 。

CSMA/CD 访问控制方式主要用于总线形 和树形网络拓扑结构、基带传输系统。

信息传输是以“包”为单位，简称信包，发展为 IEEE 802.3 基带 CSMA/CD 局域网标准。

（1）CSMA/CD 介质访问控制方案 先听后发，工作站在每次发送前，先侦听总线是否空闲，如发现已被占用，便推迟本次 的发送，仅在总线空闲时，才发送信息。

介质的最大利用率取决于帧的长度和传播时间，与 帧长成正比，与传播时间成反比。

载波监听多路访问 CSMA 的技术，也称做无听后说 LBT（Listem Before Talk） 。

要传输 数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听， 以确定是否有别的站点在传输数据。

如果媒体 空闲，该站点便可传输数据；否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。

这就需要有一种退 避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1－坚持、P－坚持三种。

①非坚持算法。

算法规则为： 如果媒本是空闲的，则可以立即发送。

如果媒体是忙的， 则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后， 再重复前一步骤。

采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

非坚持算法的缺点是： 即使有几个着眼点为都有数据要发送， 但由于大家都在延迟等待 过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。

②1-坚持算法。

算法规则为： 如果媒体空闲的，则可以立即发送。

如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。

如果有冲突（在一段时间内未收到肯定的回复） ，则等待一随机量的时间，重复前 两步。

这种算法的优点是：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失； 其缺点是：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

③P-坚持算法。

算法规则为： 监听总线，如果媒体是空闲的，则以 P 的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个 时间单位。

一个时间单位通常等于最大传播时延的 2 倍。

延迟一个时间单位后，再重复第一步。

如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复第一步。

P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突， 又能像 1-坚持算法那样减少媒体空 闲时间的折中方案。

问题在于如何选择 P 的有值，这要考虑到避免重负载下系统处于的不 稳定状态。

假如媒体是忙时，有 N 个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试 图传输的站的总期望数为 NP。

如果选择 P 过大，使 NP＞1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。

最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。

所以必须 选择适当 P 值使 NP＜1。

当然 P 值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。

（2）二进制指数退避算法 重发时间均匀分布在 0～ＴBEB 之间，ＴBEB=2i-1（2a） 为端-端的传输延迟，i 为 ，a 重发次数。

该式表明，重发延迟将随着重发次数的增加而按指数规律迅速地延长。

（3）CSMA/CD 载波监听多路访问/冲突检测方法 这是为提高总线的利用率的一种 CSMA 改进方案。

该方法为：使各站点在发送信息时 继续监听介质，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线发一串阻塞信号，通知总线上 的各站点冲突已发生。

采用 CSMA/CD 介质访问控制方法的总线型局域网中， 每一个结点在利用总线发送数据 时，首先要侦听总线的忙、闲状态。

如总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如总线上 没有数据信号传输，则为总线空闲。

由于 Ethernet 的数据信号是按差分曼彻斯特方法编码， 因此如总线上存在电平跳变，则判断为总线忙；否则判断为总线空。

如果一个结点准备好发 送的数据帧，并且此时总线空闲，它就可以启动发送。

同时也存在着这种可能，那就是在几 乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据帧，那么就会产生冲突。

所以结点在发送 数据的同时应该进行冲突检测。

（4）CSMA/CD 方式的主要特点 原理比较简单，技术上较易实现，网络中各工作站处于同等地位，不要集中控制，但这 种方式不能提供优先级控制， 各结点争用总线， 不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对 可靠性的要求。

此方式效率高，但当负载增大时，发送信息的等待时间较长。

2．令牌环（Token Ring） Token Ring 是令牌通行环（Token Passing Ring）的简写。

其主要技术指标是：网络拓扑 为环形布局，基带网，数据传送速率 4Mbps，采用单个令牌（或双令牌）的令牌传递方法。

环形网络的主要特点是：只有一条环路，信息单向沿环流动，无路径选择问题。

令牌（Token）也叫通行证，它具有特殊的格式和标记，是一个 1 位或几位二进制数组 成的码。

举例来说，如果令牌是一个字节的二进制数“11111111” ，该令牌沿环形网依次向 每个结点传递，只有获得令牌的结点才有权利发送信包。

令牌有“忙”和“空”两个状态。

“11111111”为空令牌状态。

当一个工作站准备发送报文信息时，首先要等待令牌的到来， 当检测到一个经过它的令牌为空令牌时，即可以“帧”为单位发送信息，并将令牌置为“忙” （ “00000000” 标志附在信息尾部向下一站发送。