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就送回一个确认报文，发送者对每个发出去的报文都留一份记录，等到收到确认之后再发出下一报文分组。发送者发出一个报文分组时，启动一个计时器，若计时器计数完毕，确认还未到达，则发送者重新送该报文分组。
　　简单的确认重传严重浪费带宽，TCP还采用一种称之为“滑动窗口”的流量控制机制来提高网络的吞吐量，窗口的范围决定了发送方发送的但未被接收方确认的数据报的数量。每当接收方正确收到一则报文时，窗口便向前滑动，这种机制使网络中未被确认的数据报数量增加，提高了网络的吞吐量。
　　TCP通信建立在面向连接的基础上，实现了一种“虚电路”的概念。双方通信之前，先建立一条连接，然后双方就可以在其上发送数据流。这种数据交换方式能提高效率，但事先建立连接和事后拆除连接需要开销。TCP连接的建立采用三次握手的过程，整个过程由发送方请求连接、接收方再发送一则关于确认的确认三个过程组成。

　2.用户数据报协议 UDP

　　用户数据报协议是对IP协议组的扩充，它增加了一种机制，发送方使用这种机制可以区分一台计算机上的多个接收者。每个UDP报文除了包含某用户进程发送数据外，还有报文目的端口的编号和报文源端口的编号，从而使UDP的这种扩充，使得在两个用户进程之间的递送数据报成为可能。
　　UDP是依靠IP协议来传送报文的，因而它的服务和IP一样是不可靠的。这种服务不用确认、不对报文排序、也不进行流量控制，UDP报文右能会出现丢失、重复、失序等现象。

　3.6.5 TCP/IP 的会话层至应用层

　　TCP/IP的上三层与OSI参考模型有较大区别，也没有非常明确的层次划分。其中FTP、TELNET、SMTP、DNS是几个在各种不同机型上广泛实现的协议，TCP/IP中还定义了许多别的高层协议。

　1.文件传输协议 FTP

　　文件传输协议是网际提供的用于访问远程机器的一个协议，它使用户可以在本地机与远程机之间进行有关文件的操作。FTP工作时建立两条TCP连接，一条用于传送文件，另一条用于传送控制。
　　FTP采用客户/服务器模式，它包含客户FTP和服务器FTP。客户FTP启动传送过程，而服务器对其做出应答。客户FTP大多有一个交互式界面，使用权客户可以灵活地向远地传文件或从远地取文件。

　2.远程终端访问 TELNET

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　TELNET的连接是一个TCP连接，用于传送具有TELNET控制信息的数据。它提供了与终端设备或终端进程交互的标准方法，支持终端到终端的连接及进程到进程分布式计算的通信。

　3.域名服务 DNS

　　DNS是一个域名服务的协议，提供域名到IP地址的转换，允许对域名资源进行分散管理。DNS最初设计的目的是使邮件发送方知道邮件接收主机及邮件发送主机的IP地址，后来发展成为右服务于其它许多目标的协议。

　4.简单邮件传送协议 SMTP

　　互连网标准中的电子邮件是一个单间的基于文件的协议，用于可靠、有效的数据传输。SMTP作为应用层的服务，并不关心它下面采用的是何种传输服务，它可能过网络在TCP连接上传送邮件，或者简单地在同一机器的进程之间通过进程通信的通道来传送邮件。这样，邮件传输就独立于传输子系统，可在TCP/IP环境、OSI运输层或X.25协议环境中传输邮件。
　　邮件发送之前必须协商好发送者、接收者。SMTP服务进程同意为基本个接收方发送邮件时，它将邮件直接交给接收方用户或将邮件逐个经过网络连接器，直到邮件交给接收方用户。在邮件传输过程中，所经过的路由被记录下来。这样，当邮件不能正常传输时可按原路由找到发送者。
　　在当前的UNIX版本中，已将TCP/IP协议融入其中，使之成为UNIX操作系统的一个部分。DOS上也推出了相应的TCP/IP软件产品。SUN公司则将TCP/IP广泛推向商务系统，它在所在的工作站系统中都预先安装了TCP/IP网络软件及网络硬件，使网络和计算机成为一体，同时也使TCP/IP网络软件及其客户/服务器的工作方式为广大用户所接受。
　

第4章　局域网

第四章局域网

　　局域网LAN(Local Area Network),是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。社会对信息资源的广泛需求及计算机技术的广泛普及，促进了局域网技术的迅猛发展。在当今的计算机网络技术中，局域网技术已经占据了十分重要的地位。本章从介绍局域网的体系结构、协议标准及拓扑结构入手,详细讨论CSMA/CD总域网、令牌环网及令牌总线网的媒体访问控制方法，最后不定期要介绍光纤分布数据接口FDDI和局域网的操作系统。

4.1 局域网的主要技术

　4.1.1局域网的特点

　　区别于一般的广域网(WAN),局域网(LAN)具有以下特点：
　　(1)地理分布范较小,一般为数百米至数公里。可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业。
　　(2)数据传输速率高，一般为0.1-100Mbps，目前已出现速率高达1000Mbps的局域网。可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息。
　　(3)误码率低，一般在10^-11-10^-8以下。这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高了数据传输质量。
　　(4)以PC机为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统。
　　(5)一般包含OSI参考模型中的低三层功能，即涉及通信子网的内容。
　　(6)协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。
　　局域网可分成三大类；一类是平时常说的局域网LAN;另一类是采用电路交换技术的局域网,称计算机交换机CBX(Computer Branch eXchange)或PBX(Private Branch eXchange);还有一类是新发展的高速局域网HSLN(High Speed Local Network)。
　　在LAN和WAN之间的是城市区域网MAN(Metropolitan Area Network)简称城域网。MAN是一个覆盖整个城市的网络，但它使用LAN的技术。
　　局域网的特性主要涉及拓扑结构、传输媒体和媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)等三项技术问题，其中最重要的是媒体访问控制方法。局域网的技术特性见表4.1。

　4.1.2 局域网的拓扑结构

　　网络的拓扑结构对网络性能是有很大的影响。选择网络拓扑结构，首先要考虑采用何种媒体访问控制方法，因为特定的媒体访问控制方法一般仅适用于特定的网络拓扑结构；其次要考虑性能、可靠性、成本、扩充灵活性、实现的难易程度及传输媒体的长度等因素。局域网常用的拓扑结构有总线、环形、星形三种。有关网络拓扑结构的概念已在第二章中做了介绍，这里再针对局域网的拓扑适用范围做一些说明。
　　总线网一般采用分布式媒体访问控制方法。总线网可靠性高、扩充性能好、通信电缆长度短、成本低，是用来实现局域网的最通用的拓扑结构，著名的以太网的CSMA/CD;另一种是总线拓扑网与令牌环相结合的变形，其在物理连接上是总线拓扑结构，而在逻辑结构上则采用令牌环，兼有了总线结构和令牌环的优点。总线网的缺点是若主干电缆某处发生故障，整个网络将瘫痪；另外，当网上站点较多时，会因数据冲突增多而使效率降低。
　　环形网也采用分布式媒体访问控制方法。环形网控制简单、信道利用率高、通信电缆长度短、不存在数据冲突问题,在局域网中应用较广泛，典型实例有IBM令牌环(Token Ring)网和剑桥环(Cambrige Ring)网。另外还有一种FDDI结构,它是采用光纤作为传输媒体的高速通用令

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牌环网，常用于高速局域网HSLN和城域网MAN中。环形网的缺点是对节点接口和传输线的要求较高，一旦接口发生故障可能导致整个网络不能正常工作。
　　星形网往往采用集中式媒体访问控制方法。星形网结构简单、实现容易、信息延迟确定。其缺点是通信电缆总长度长、传输媒体不能共享。星形网的典型实例是计算机交换机CBX。

　4.1.3 局域网的传输媒体

　　LAN中使用的传输方式有基带和宽带两种。基带用于数字信号传输,常用的传输媒体有双绞线或同轴电缆。宽带用于无线电频率范围内的模拟信号的传输,常用同轴电缆。表4.2给出了这两种传输方式的比较。

　表4.2

基带、宽带传输方式比较

基　　带 5MO:hE5sm	宽　　带 5MO:hE5sm
数字信号传输 5MO:hE5sm 全部带宽用于单路信道传输 5MO:hE5sm 双向传输 5MO:hE5sm 总线拓扑 5MO:hE5sm 距离达数公里 5MO:hE5sm	模拟信号的传输(需用MODEM) 5MO:hE5sm 使用FDM技术，多路信道复用 5MO:hE5sm 单向传输 5MO:hE5sm 总线或树形拓扑 5MO:hE5sm 距离达数十公里 5MO:hE5sm

　1.基带系统
　　使用数字信号传输的LAN定义为基带LAN。数字信号通常采用曼彻斯特编码传输，媒体的整个带宽用于单信道的信号传输，不采用频分多路复用技术。数字信号传输要求用总线形拓扑，因为数字信号不易通过树形拓扑所要求的分裂器和连接器。基带系统只能延伸数公里的距离，这是由于信号的衰减会引起脉冲减弱和模糊，以致无法实现更大距离上的通信。基带传输是双向的，媒体上任意一点加入的信号沿两个方向传输到两端的端接器(即终端接收阻抗器)，并在那里被吸收，如图4.1所示。

图4.1 双向基带系统

　　总线LAN常采用50Ω的基带同轴电缆。对于数字信号来说,50Ω电缆受到来自接头插入容抗的反射不那么强,而且对低频电磁噪声有较好的抗干扰性。最简单的基带同轴电缆LAN由一段无分枝的同轴电缆构成，两端接有防反射的端接器,推荐的最大长度为500米。站点通过接头接入主电缆，任何两接头间的距离为2.5米的整倍数,这是为了保证来自相邻接头的反射在相位上不致于叠加。推荐的最多接头数目为100个，每个接头包括一个收发器,其中包含发送和接收用的电子线路。
　　为了延伸网络的长度，可以采用中继器。中继器由组合在一起的两个收发器组成，连到不同的两段同轴电缆上。中继器在两段电缆间向两个方向传送数字信号，在信号通过时将信号放大和复原。因而，中继器对于系统的其余部分来说是透明的。由于中继器不做缓冲存贮操作，所以并没有将两段电缆隔开，因此如果不同段上的两个站同时发送的话，它们的分组将互相干扰(冲突)。为了避免多路径的干扰，在任何两个站之间只允许有一条包含分段和中继器的路径。802标准中，在任何两个站之间的路径中最多只允许有4个中继器，这就将有效的电缆长度延伸到2.5公里。图4.2是一个具有3个分段和两个分段和两个中继器的基带系统例子。
　　双绞线基带LAN用于低成本、低性能要求的场合，比绞线安装容易，但往往限制在1公里以内，数据速率为1Mbps-10Mbps。

图4.2 带中继器的基带系统

　2、宽带系统
　　在LAN范围内，宽带一般用于传输模拟信号，这些模拟载波信号工作在高频范围(通常为10～400MHz)，因而可用FDM技术把宽带电缆的带宽分成功经验多个信道或频段。宽带系统采用总线/树形拓扑结构，可以达到比基带大得多的传输距离(达数十公里),这是因为携带数字数据的模拟信号，在噪声和和衰减损失数据之前，可以传播较长的距离。
　　宽带同基带一样，系统中的站点是通过搠头接入电缆的。但是，与基带不同的是宽带本质上是一种单方向传输的媒体，加到媒体上的信号只能沿一个方向传播。这种单向性质，意味着只有处于发送站“下游”的站点才能疏到发送站的信号。因此需有两条数据路径，这些路径在网

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络的端头处接在一起。对于总线拓扑，端头就是总线的一端；对于树形拓扑，端头具有分枝的树根。所有站沿一条路径(入径)向端头传输，在端头接疏到的信号,再沿另一条数据路径(出径)离开端头传输，所有的站点都在出径上接收。

图4.3 双向宽带系统

　　在物理上，可用双电缆和中分(Midsplit)两种不同的结构来实现输入和输出的通路，如图4.3所示。在双电费结构中，入径和出径是分开的两根电缆,两者间的端头只是一个无源联接装置，每个站点以相同的频率发送和接收。在中分构造中,入径和出径是同一电缆上的不同频率，双向放大器传送较低频率(5～116MHz)的入径和较高频率(168～300MHz)的出径。端头饱含一个称为频率转换器的装置，将入径频率转换为出径频率。频率转换器可以是模拟装置也可以是数字装置，模拟装置只要把信号转换成一个新的频率并重发就可以了，而数字装置则先要在端头恢复数字数据，然后再在新的频率上重发净化了的数据。

　4.1.4 局域网的媒体访问控制方法

　　环形或总线拓扑中，由于只有一条物理传输通道连接所有的设备，因此，连到网络上的所有设备必须遵循一定的规则，才能确保传输媒体的正常访问和使用。常用的媒体访问控制方法有：具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)、控制令牌(Control Token)及时槽环(Slotted Ring)三种技术。

　1、具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD
　　具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD采用随机访问和竞争技术，这种技术只用于总线拓扑结构网络。CSMA/CD结构将所有的设备都直接连到同一条物理信道上,该信道负责任何两个设备之间的全部数据传送，因此称信道是以“多路访问”方式进行操作的。站点以帧的形式发送数据，帧的头部含有目的和源点的地址。帧在信道上以广播方式传输，所有连接在信道上的设备随时都能检测到该帧。当目的地站点检测到目的地址为本站地址的帧时，就接收帧中所携带的数据，并按规定的链路协议给源站点返回一个响应。
　　采用这种操作方法时，在信道上可能有两个或更多的设备在同一瞬间都会发送帧，从而在信道上千万帧的重叠而出现并有差错，这种现象称为冲突。为减少这种冲突，源站点在发送帧之前，首先要监听信道上是否有其它站点发送的载波信号(即进行“载波监听”)，若监听到信道上有载波信号则推迟发送，直到信道恢复到安静(空闲)为止。另外，还要采用边发送边监听的技术(即“冲突检测”)，若监听到干扰信号，就表示检测到冲突，于是就要立即停止发送。为了确保冲突的其它站点知道发生了冲突，首先在短时间里持续发送一串阻塞(Jam)码,卷入冲突的站点则等待一随机时间，然后准备重发受到冲突影响的帧。这种技术对发生冲突的传输能迅速发现并立即停止发送,因此能明显减少冲突次数和冲突时间。CMSA/CD媒体访问控制的具体实现，将在本章第4.3节中再详细介绍。

　2、控制令牌
　　控制令牌是另一种传输媒体访问控制方法。它是按照所有站点共同理解和遵守的规则，从一个站点到另一个站点传递控制令牌，一个站点只有当它占有令牌时，才能发送数据端帧，发完帧后，即把令牌传递下一个站点。其操作次序如下：
　　⑴首先建立一个逻辑环，将所有站点同物理媒体相连，然后产生一个控制令牌。
　　⑵控制令牌由一个站点沿着逻辑环顺序向下一个站点传递。
　　⑶等待发送帧的站点接收到控制令牌后，把要发送的帧利用物理媒体发送出去，然后再将控制令牌沿逻辑环传递给下一站点。
　　控制令牌方法除了用于环形网拓扑结构(即令牌环)之外,也可以用于总线网拓扑结构(即令牌总线)，这两类结构建立的逻辑环分别如图4.4(a)、(b)所示。

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图4.4 控制令牌媒体访问控制

　　对于一个物理环，令牌传递的逻辑结构和物理环的结构是相同的，令牌传递的次序和站点连接的物理次序也是一致的；百对于总线网，逻辑环次序则不必和电缆上的站点连接次序相对应，所有站点没有必要抱着按逻辑环连接。例如图4.4(b)中,H站并不是逻辑环的一总部分，这意味着H站永远拿不到令牌,因此只能以接收方式工作。令牌访问方式的具体的控制方法将在本章第4.4节、4.5节详细介绍。

　3、时槽环
　　时槽环只用于环形网的媒体控制访问，这种方法对每个节点预先安排一个特定的时间内段(即时槽段)，每个节点只能在时槽内传输数据。若数据较长，可用多个时槽来传输。
　　时槽环采用集中控制方式，这种方法首先由环中被称为监控的站的特定节点起动环，并产生若干个固定长度的比特串，这种比特串即称为时槽。时槽子不停地绕环从一个站点传递到另一个站点。当一个站点收到时槽子时，由该站点的接口阅读后再将其转发到下一个站点，如此一直循环下去。监控站确保总有一个固定数目的时槽绕环传送，而不考虑组成环的站点数目。每个时槽能携带一个固定尺寸的停息帧，时槽帧的格式如图4.5(a)所示。
　　时槽环初始化时，由监控站将每个时槽开头的满/空位置为空状态。某个站点要发送数据前，首先要得到一个空时槽，然后将该时槽的满/空位置为空状态，将数据的内容插入时槽中，同时在帧的头部未填入目的地地址和源地址，并将帧尾部的两个响应位全置为1,然后发送该时槽，使它绕物理环从一个站点至另一个站点传送。
　　环中每个站对任何置满的时槽头部的目的地址进行检测，如果检测到是自己的地址，便从时槽中阅读所携带的数据内容，并修改时槽尾部的一对响应位，然后通过环再将它转发也去。如果目的地站点忙或者拒收，则响应位做相应的标记或保留不做改变。
　　源站点在起动一个帧发送之后，要等到该帧绕环一周。由于每个站均知道环上时槽的总数，由环接口对时槽转发计数可知道所发时槽的到来。此后，源站点将所用时槽重新标记为空状态，并阅读时槽尾部的响应位，以确定是否应舍弃已被发送的该帧备份，或者重发该帧。由于采用了响应位，就不需要设置独立的响应帧。

图4.5 时槽环原理

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监控站传递位由监控站用于监测各个站点发送的帧是否有差错或站点有无故障，该位由源站点在发送帧时置“0”。当满时槽在环接口上转发时，由监控站对每一个满时槽的该位置“1”。如果监控站在其转发某个满时槽时，测得监控站传递位已被置为1，就认为源站点有故障，便可将该帧的满/空位置为空，并释放空时槽。时槽尾部的两个控制位是提供给DTE高层协议使用的，在媒体访问控制层中没有意义。
需要特别指出的是，在时槽环媒体访问控制方法中，每个站点每次只能传送一个帧，若想要传送另一个帧，则首先必须释放传输前一帧所用的时槽。这种对环的访问方法体现了公平性，并被各个互连的站点所共享。
　　时槽环的优点是结构简单,节点间相互干扰少、可靠性高。但是,时槽环为保持基本环结构需要一个特定的监控站节点；由于绕环一周时间内，每个站点只能占用一个时槽，若某站点发送的数据较长要占用多个时槽，而此时环上只有该站有数据要发送，则许多时槽都是空循环；另外，每个40位长的时槽只能携带16位有效数据，开销大、效率低。相比之下，令牌环中的某个站点得到控制令牌后，就可将包括多个字节的信息帧作为一个整体进行发送，所以效率比时槽环高。　

第4章　局域网

4.2 局域网的参考模型与协议标准

　　局域网的标准化工作，能使不同生产厂家的局域网产品之间有更好的兼容性，以适应各种不同型号计算机的组网需求，并有利于产品成本的降低。国际上从事局域网标准化工作的机构主要有国际标准化组织ISO、美国电气与电子工程师学会IEEE的802委员会、欧洲计算机制造商协会ECMA、美国国家标准局NBS、美国电子工业协会EIA、美国国家标准化协会ANSI等。

　4.2.1 局域网的参考模型

　　局域网是一个通信网，只涉及到相当于OSI/RM通信子网的功能。由于内部大多采用共享信道的技术，所以局域网通常不单独设立网络层。局域网的高层功能由具体的局域网操作系统来实现。
　　IEEE 802标准的局域网参考模型与OSI/RM的对应关系如图4.6所示，该模型包括了OSI/RM最低两层（物理层和链路层）的功能，也包括网间互连的高层功能和管理功能。从图中可见，OSI/RM的数据链路层功能，在局域网参考模型中被分成媒体访问控制MAC（Medium Access Control)和逻辑链路控制LLC（Logical Link Control)两个子层。
　　在OSI/RM中，物理层、数据链路层和网络层使计算机网络具有报文分组转接的功能。对于局域网来说，物理层是必需的，它负责体现机械、电气和过程方面的特性，以建立、维持和拆除物理链路；数据链路层也是必需的，它负责把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道，传送带有校验的数据帧，采用差错控制和帧确认技术。
　　但是，局域网中的多个设备一般共享公共传输媒体，在设备之间传输数据时，首先要解决由哪些设备占有媒体的问题。所以局域网的数据链路层必须设置媒体访问控制功能。由于局域网采用的媒体有多种，对应的媒体访问控制方法也有多种，为了使数据帧的传送独立于所采用的物理媒体和媒体访问控制方法，IEEE 802 标准特意把 LLC 独立出来形成一具单独子层，使用权LLC子层与媒体无关，仅让MAC子层依赖于物理媒体和媒体访问控制方法。
　　由于穿越局域网的链路只有一条，不需要设立路由器选择和流量控制功能，如网络层中的分级寻址、排序、流量控制、差错控制功能都可以放在数据链路层中实现。因此，局域网中可以不单独设置网络层。当局限于一个局域网时，物理层和链路层就能完成报文分组转接的功能。但当涉及网络互连时，报文分组就必须经过多条链路才能到达目的地，此时就必须专门设置一个层次来完成网络层的功能，在职IEEE 802 标准中灾一层被称为网际层。
　　在参考模型中，每个实体和另一个系统和同等实体按协议进行通信；而一个系统中上下层之间的通信，则通过接口进行，并用服务访问点SAP（Server Access Point) 来定义接口。为了对多个高层实体提供支持，在LLC层的顶部有多个LLC服务访问点（LSAP），为图中的实体A和B提供接口端；在网际层的顶部有多个网间服务访问点（NSAP），为实体C、D和E提供接口端；媒体访问控制服务访问点（MSAP）向LLC实体提供单个接口端。
　　LLC子层中规定了无确认无连接、有确认无连接和面向连接三种类型的链路服务。无确认城无连接服务是一促数据报服务，信息帧在LLC实体间交换时，无需在同等层实体间事先建立逻辑链路，对这种LLC帧

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进行确认外，其它类似于无确认无连接服务；面向连接服务提供访问点之间的虚电路服务，在任何住处帧交换前，一对LLC实体之间必须建立逻辑路，在数据传送过程中，信息帧依次发送，并提供差错恢复和流量控制功能。
　　MAC子层在支持LLC层完成毁灭体访问控制功能时，可以提供多个可供选择的毁灭体访问控制方式。使用MSAP支持LLC子层悍，MAC子层实现帧的寻址和识别。MAC到MAC的操作通过同等层协议来进行MAC还产生帧检验序列和完成帧检验等功能。

　4.2.2 IEEE 802标准

　　IEEE在1980年2月成立了局域网标准化委员会（简称IEEE 802 委员会），专门从事局域网的协议制订，形成了一毓的标准，称为IEEE 802标准。亥标准已被国际标准化组织ISO采纳，作为局域网的国际标准系列，称为ISO 8802标准。要这些标准中，根据局域网的多种类型，规定了各自的拓朴结构、媒体访问控制方法、帧和格式和听任等内容。IEEE 802标准系列中各个子标准之间的关系如图4.7所示。
　　IEEE 802.1是局域网的体系结构、网络管理和网际互连协议。IEEE 802.2集中了数据链路层中与媒体无亲的LLC协议。涉及与媒体访问有关的协议，则根据具体网络的媒体访问控制访问分别处理，其中主要的MAC协议有：IEEE 802.3载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD访问方法和物理层协议、IEEE 802.4令牌总线（Token Bus)访问方法和物理层的协议、IEEE 802.5令牌环（Token Ring)访问方法和物理层协议，IEEE 802.6关于城域网的分布式他列总线DQDB（Distributed Queue Dual Bus)的标准等。
　　IEEE 802标准定义了LLC子层和MAC子层的帧格式。数据传输过程中，LLC子层将高层递交的报文分组作为LLC的信息字段，再加上LLC子层目的服务访问点（DSAP）、源服务访问点（SSAP）及相应的控制信息以构成LLC帧。LLC帧格式及其控制字段定义见图4.8。
　　LLC的链路只有异步平衡方式（ABM），而不用政党响应方式（NRM）和异步响应（ARM）。也即节点均为组合站，它们既可作为主站发送命令，也可作为从站响应命令。IEEE 802.2标准定义的LLC帧格式与HDLC的帧格式有点类似，其控制字段的格式和功能完全效仿HDLC的平衡方式制定。LLC帧也分为信息帧、监控帧和无编号帧三类。信息帧主要用于信息数据传输，监控帧主要用于流量控制，无编号帧用于LLC子层传输控制信号以对逻辑链路进行建立与释放。LLC帧的类型取决于控制字段的第１、２位，信息帧和监控帧的控制字段均为２字长，无编号帧的控制字段为１字节。监控帧控制字段中的第５～８位为保留位，一般设置为０。控制字段中的其它位含义与HDLC控制字段中的含义相同。

第4章　局域网

4.3 CSMA/CD媒体访问控制

　　CSMA/CD是一种常用争用的方法来决定对媒体访问权的协议，这种

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争用协议只适用于逻辑上属于总线拓扑结构的网络。在总线网络中，每个站点都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站同时发送帧，就会产生冲突，导致所发送的帧都出错。因此，一个用户发送信息成功与否，在很大程度上取决于监测总线是否空闲的算法，以及当两个不同节点同时发送的分组发生冲突后所使用的中断传输的方法。总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD两大类。

　4.3.1 载波监听多路访问CSMA

　　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：
　　⑴如果媒本是空闲的，则可以立即发送。
　　⑵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。

　2、1-坚持算法
　　算法规则：
　　⑴如果媒体空闲的，则可以立即发送。
　　⑵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。
　　⑶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，重复步骤⑴～⑵。
　　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。

　3、P-坚持算法
　　算法规则：
　　⑴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。
　　⑵延迟一个时间单位后，再重复步骤⑴。
　　⑶如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。
　　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。

　4.3.2具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD

　　在CSMA中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突已发和，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。
　　一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。一于检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。这样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。这种方案称做载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。
　　CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波

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只看该作者 58楼发表于: 2009-11-19

信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。信号传播时延(μs)=两站点的距离(m)/信号传播速度(200m/μs)。如图4.9所示，假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发生。发生冲突后，B 站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一份最大传播时延tp后，才能检测出冲突。也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍(2tp)。
　　数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时延(s)=数据帧长度(bit)/数据传输速率(bps)。若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。
　　由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于传播时延。换句话说，要求分组的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。由此引出了CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系式：
　　　　　　　最短数据帧长(bit) 　　　任意两站点间的最大距离(m)
　　　　　　　数据传输速率(Mbps)　　　　　　　　200m/us
计算时要注意单位统一。
　　由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以，
对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。
　　在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法试图传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避和算法，其规则如下：
　　(1)对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2；
　　(2)退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数，1个小时片等于两站之间的最大传播时延的两倍；
　　(3)当数据帧再次发生冲突，由将参量L加倍；
　　(4)设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。
　　二进制指数退避算法是按后进先出LIFO(List In First Out)的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧，具有优先发送的概率；而发生过多次冲突的数据帧，发送成功的概率就更少。
　　IEEE 802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送数据帧的站点能立即发送；在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500米。

　4.3.3 IEEE 802.3媒体访问控制协议

　1.CSMA/CD总线的实现模型
　　IEEE 802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的局域网标准。CSMA/CD总线的实现模型如图4.10所示，它对应于OSI/RM的最低两层。从逻辑上可以将其划分为两大部分：一部分由LLC子层和MAC子层组成，实现OSI/RM的数据链路层功能，另一部分实现物理层功能。

　　把依赖于媒体的特性从物理层中分离出来的目的，是要使得LLC子层和MAC子层能适应于各类不同的媒体。
　　物理层内定义了两个兼容接口：依赖于媒体的媒体相关接口MDI和访问单元接口AUI。MDI是一个同轴电缆接口，所有站点都必须遵循IEEE 802.3定义的物理媒体信号的技术规范，与这个物理媒体接口完全兼容。由于大多站点都设在离电缆连接处有一段距离的地方，在与电缆靠近的MAC中只有少量电路，而大部分硬件和全部的软件都在站点中，AUI的存在为MAC和站点的配合使用带来了极大的灵活性。
　　MAC子层和LLC子层之间和接口提供每个操作的状态信息，以供高一层差错恢复规程所用。MAC子层和物理层之间的接口，提供包括成帧、载波监听、启动传输和解决争用、在两层间传送串行比特流的设施及用于定时等待等功能。

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只看该作者 59楼发表于: 2009-11-19

2.IEEE 802.3 MAC帧格式
　　MAC帧是在MAC子层实体间交换的协议数据单元,IEEE 802.3 MAC帧的格式如图4.11所示.
　　IEEE 802.3 MAC帧中包括前导码P、帧起始定界符SFD、目的地址DA、源地址SA、表示数据字段字节数长度的字段LEN、要发送的数据字段、填充字段PAD和帧校验序列FCS等8个字段。这8个字段中除了数据字段和填充字段外，其余的长度都是固定的。
　　前导码字段P占7个字节，每个字节的比特模式为“10101010”，用于实现收发双方的时钟同步。帧起始定界符字段SFD占1个字节，其比特模式为“10101011”，它紧跟在前导码后，用于指示一帧的开始。前导码的作用是使接收端能根据“1”、“0”交变的比特模式迅速实现比特同步，当检测到连续两位“1”(即读到帧起始定界符字段SFD最末两位)时，便将后续的信息递交给MAC子层。
　　地址字段包括目的地址字段DA和源地址字段SA。目的地址字段占2个或6个字节，用于标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址。DA字段最高位为“0”表示单个的地址，该地址仅指定网络上某个特定站点；DA字段最高位为“1”、其余位不为全“1”表示组地址，该地址指定网络上给定的多个站点；DA字段为全“1”，则表示广播地址，该地址指定网络上所有的站点。源地址字段也占2个或6个字节，但其长度必须与目的地址字段的长度相同，宁用于标识发送站点的址。在6字节地址字段中，可以利用其48位中的次高位来区分是局问部地坦还是全局地址。局部地址是由网络管理员分配，且只在本网中有效的地址；全局地址则是由IEEE统一分配的，采用全局地址的网卡出厂时被赋予惟一的IEEE地址，使用这种网卡的站点也就具有了全球独一无二的物理地址。
　　长度字段LEN占两个字节,其值表示数据字段的内容即为LLC子层递交的LLC帧序列,其长度为0～1500个字节。
　　为使CSMA/CD协议正常操作，需要维持一个最短帧长度，必要时可在数据字段之后、帧校验序列FCS之前以字节为单位添加填充字符。这是因为正在发送时产生冲突而中断的帧都是很短的帧，为了能方便地区分出这些无效帧，IEEE 802.3规定了合法的MAC帧的最短帧长。对于10Mbps的基带CSMA/CD网，MAC帧的总长度为64～1518字节。由于除了数据字段和填充字段外，其余字段的总长度为18个字节，所以当数据字段长度为0时，填充字段必须有46年字节。
　　帧校验序列FCS字段是32位(即4个字节)的循环冗余码(CRC)，其校验范围不包括前导字段P及帧起始定界符字段SFD。

　3. IEEE 802.3 MAC子层的功能
　　IEEE802.3 标准提供了MAC子层的功能说明，内容主要有数据封装和媒体访问管理两个方面。数据封装(发送和接收数据封装)包括成帧(帧定界和帧同步)、编址(源地址脏乱目的地址的处理)和差错检测(物理媒体传输差错的检测)等；媒体访问管理包括媒体分配和竞争处理。MAC功能模块如图4.12所示。

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