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局域网计算机通信原理

作者: 万博manbex官网|来源: http://www.rzqianhui.com|栏目:万博manbex官网|    日期:2019-11-04

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  局域网计算机通信原理 局域网的特性 传输媒体 传输技术 双绞线、同轴电缆和光纤;在特殊环境下, 也可考虑使用微波、红外线和激光等无线传输媒体 使用传输媒体进行通信的技术,常用的有基带传输和宽带传输 指组网时的电缆铺设形式,常见的有总线形、星形和环形。 局域网的网络拓扑描述对应网络中数据收发的方式 网络设备访问传输媒体的控制方法, 常用的有竞争、令牌传递和令牌环等 网络拓扑 访问控制方法 局域网的特点 网络覆盖范围小(25公里以内) 选用较高特性的传输媒体:高的传输速率和低的传输误码率 硬软件设施及协议方面有所简化 媒体访问控制方法相对简单 采用广播方式传输数据信号,一个结点发出的信号可被网上所有的结点接 收,不考虑路由选择的问题,甚至可以忽略OSI网络层的存在。 计算机网络体系结构 应用层 表示层 会话层 运输层 各种应用层协议 (TELNET,FTP,SMTP等) TCP,UDP 网络层 数据链路层 物理层 OSI模型 IP 与各种网络接口 IP协议族 物理层 OSI模型的最底层 ? 主要任务是:确定与传输媒体的接口的 一些特性 ? ? ? ? ? 机械特性:接线器的形状,尺寸,引线数目等 电气特性:电压范围 功能特性:某一电平的电压表示的意义 规程特性:不同功能的各种可能事件的出现顺序 数据链路层 在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务 ? 数据链路控制协议 ? – 其目的是在给定的通信链路上提供发送端和接送端之间的无 差错信息传输。 ? 数据链路层功能 – – – – 帧同步功能 差错控制 流量控制 链路控制 美国电气和电子工程协会(IEEE)于1980年2月成立局域网 标准化委员会(简称802委员会)专门对局域网的标准进行 研究,并提出了LAN的定义。LAN是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。 逻辑链路控制子层 CSMA/CD 令牌总线 令牌环网 数据链路层 物理服务 物理层 以太网 (Ethernet) 以太网使用载波监听CSMA/CD(多路访问/冲突检测) 载波监听:发送结点在发送信息帧之前,必须侦听 媒体是否处于空闲状态。 多路访问:具有两种含义,即表示多个结点可以同 时访问媒体,也表示一个结点发送的信息帧可以 被多个结点所接受。 冲突检测:发送结点在发送信息帧的同时,还必须 监听媒体,判断是否发生冲突(在统一时刻,有 无其他结点在发送信息帧)。 准备好要发送的帧 发送信息 是 是否检测到信号? 否 经过帧间空隙时段后, 发送数据 碰撞? 是 发送阻塞, 增加尝试计数器 否 完整传输 是 尝试计数器溢出? 否 设置尝试计数器 溢出指示位 计算和等待补偿时间 否 输入信号检测? 接收信息 是 将Carrier Sense置为开, 并等待SFD 否 FCS和帧大小合适? 是 目标地址匹配? 否 是 传输帧到更高协议层 子层进行处理 丢掉帧 退避算法 对每一帧,当第一次发生冲突时,设置 参量L=2。 ? 退避间隔取1到L个时间片中的一个随机 数。 ? 当帧重复发生一次冲突,则将参量L加倍。 ? 设置一个最大重传次数,超过这个次数, 则不再重传,并报告出错。 ? 以太网帧格式 MAC头 MAC尾 前导码 (7字节) 帧起始定界符 (1字节) 目标地址 (6字节) 源地址 (6字节) 类型 (2字节) 信息 (n字节) 帧 填 充 FCS帧校验序列 (4字节) 前导码:长度为7字节,可以使LAN上所有的其他站点达到同步。 SFD帧定界符,也称为帧起始定界符,格式为10101011,占用1字节。 目标地址:占用6字节。 源地址:占用6字节。 类型:占用2字节。 信息:占用0~1500字节。 帧填充:如果数据长度小于46字节,则把它填充到46字节。 FCS:帧校验序列,占用4字节采用32位CRC循环厐余校验。用来做错误校验控制。 以太网的优缺点 以太网的优点 ? ? ? ? 以太网的缺点 ? ? 在成千上万的结点中都安装 了这种流行的标准。 协议简单易懂,特别是协议 中关于关于错误处理的部分。 可以安装和删除结点,且不 会打乱网络。 在低负载的情况下,可以得 到高吞吐量。 ? ? ? 帧的最小值是64字节,短帧 具有较高的额外费用。 不确定性,不能保证在一个 已定时隙内的访问,这是一 个实时应用程序的问题。 没有办法去区分通信量优先 次序。 有限的电缆长度。 当使用量接近最大值时,冲 突会引起性能快速下降。 令牌总线网(Token-Bus) 基本原理: 1.在总线的基础上,通过在网络结点之间有序地传递 令牌(一组特定的比特模式)来分配各结点对共享型 总线的访问权利,形成闭合的逻辑环路。 2.完全采用半双工的操作方式,只有获得令牌的结点 才能发送信息,其他结点只能接收信息,或者被动地 发送消息(在拥有令牌的结点要求下,发送信息) 3.为了保证逻辑闭合环路的形成,每个结点都动态地 维护着一个连接表,该表记录着本结点在环路中的前 继、后继和本结点的地址,每个结点根据后继地址确 定下一占有令牌的结点。 1 1 3 5 2 4 令 牌 总 线 网 结 构 令牌总线网帧格式 PA =1 SD 1 FC 1 DA 2/6 SA 2/6 DATA-UNIT =0 FCS 4 ED 1 PA:前导码,用于收发同步。 SD:帧开始定界符,表示一个有效帧的开始。 FC:帧控制字段,用于区分帧的类型。字段格式为FFMMMPPP. DA:目标地址。 SA:源地址,它和DA长度必须相同。 DATA-UNIT:根据FC的定义,可以包含LLC协议数据单元、MAC管理数据、和 MAC控制帧的数据。 FCS:帧校验序列,对SD和ED之间的所有字段进行循环垅冗余校验。 ED:帧结束标志,标识帧的结束,同时也标识了帧中FCS的位置。 (-)令牌的传递 ? 有令牌的结点在发送完消息后,执行环路维护工作,将令牌传递 给后继结点。 监听媒体。监听到合法帧的传递,后继结点已获得令牌,并正常 工作;如果在规定时间内未监听到信息在媒体上的传输,执行一 次令牌重传。 ? ? 如仍然未能监听到合法帧的传输,原后继结点已撤出环路,开始 寻找后继和环路重构过程。 发送“寻找后继命令帧”,(原后继结点的地址为数据字段)。 原后继结点的后继结点用“设置后继命令帧”予以响应。 双方修改各自连接表中的后继/前继地址,传递令牌,恢复正常工 作。 ? ? ? (二)令牌丢失的处理 ? 结点设“环不工作计时器”: (1)在规定的时间内,未能监听到媒体上有信号传输,环不工作计时器超 时,则环路中令牌丢失,或者环路处于初始工作状态; (2)所有感知环不工作的结点,采用竞争总线的方法争夺生成令牌的权利: A.各结点根据本结点地址信息和一定的规则,形成不同长度的“要求 令牌命令帧”,发送媒体并监听媒体; B.不同的地址形成不同长度的帧几乎“同时”发往媒体时,会产生冲 突。 C.结点在发送帧之后,监听媒体时,发短帧的结点会“监听”到其他 结点的帧正在发送。发最长帧的结点感觉不到媒体上有信号的结点,赢 得生成令牌的权利,执行环路重构的过程。 (三)多个令牌的处理 令牌重复:环路中同时具有多个令牌,由获得 令牌的结点进行处理。 ? 判断令牌重复:获得令牌的结点,如果感知媒 体上有信号传输,表示有其他结点也掌握着令 牌(令牌重复)。 ? 解决方法:立即放弃令牌,并回到监听模式, 这样可以使令牌数不少过1。 ? 后果:如果持有令牌的站都放弃令牌,则出现 无令牌状态。当一个站在大于规定的时间内测 出总线没有活动,就认为令牌丢失。可以再使 用令牌丢失的处理。 ? (-)环路重构 目的:各结点填写连接表,重新构造逻辑环。环路不工作后,获得 生成令牌权利的结点进行环路维护。 (1)发出“请求后继命令帧”:寻找可能的后继结点; (2)限定响应结点的范围,在此范围内的结点用“设置后继命令帧”响应。 (3)若有多个适合的结点予以响应(出现冲突),用“解决冲突命令帧” 进一步限定范围,直至有且仅有一个结点予以响应; (4)置连接表中的后继地址,并传递令牌给该后继结点; (5)后继结点接收令牌,将令牌中的源地址置为连接表中的前继地址,如 果本结点维护的连接表中没有指定后继结点,则重复上述“寻找”后继 的动作。 (6)最终,环路形成,并且令牌返回原生成令牌的结点,完成环路重构动 作,开始正常的工作。 (二)增加新结点 (1)无响应,令牌持有站依然把令牌传递给它的后继站; (2)收到一个正确的响应,则进行环路重构;若新结点符合 后继的要求,用“设置后继命令帧”响应。接受令牌的新 站点把它的上一站地址(Ps)和下一站地址(Ns)地址参数设置 好,环继续运行下去。 (3)收到了碰撞的响应,既有多个站请求插入逻辑环,这种 冲突可以通过一种竞争来解决。这个过程一直持续到下面 的三种情况之一:收到一个有效的置后继站帧;无响应; 已到达地址位的末尾。在后两种请求下,持有令牌的站放 弃让新站加入环的企图,照常传递令牌。 (4)无效响应,此时令牌持有站认为协议出了问题,为了避 免冲突,令牌持有站转到监听状态。 (三)结点退出环路 ? 方法1:结点可以在任意时刻,不采取任 何动作地搬出环路。该结点的前继会自 控开始寻找新后继的过程(令牌维护) 方法2:指定时刻退出环路。希望撤出环 路的结点仅在收到令牌之后,用“置后 继命令帧”,将其后继结点地址告诉前 继结点,并传递令牌,撤出环路。 ? 令牌总线的优缺点 优点 ? 缺点 算法复杂。 ? 开销时间较大。在轻负载 下,站点为了使令牌转一 圈而等待不必要的时间。 ? ? ? 出色的吞吐量性能。这 一性能不因线路长度增 加而下降。 支持大的动态范围,没 有相对信号强度方面的 问题。 媒体访问有调节。 令牌环网(Token-Ring) 基本原理: 环形网的所有结点通过环接口设备(又 称环中继转发器RPU)接入环路,一系 列的环路(传输媒体,有时也称链路) 和RPU组成了整个环路。 下行链路 上行链路 环中继转发器(RPU) 环 行 局 域 网 的 结 构 等待令牌 否 等待发送帧吗? 是 令牌优先级≤ 帧优先级吗? 转发令牌 否 否 R位帧优先级吗? 是 是 传送帧 在环循环后去掉帧 将A和C位传递至更高层 将R位设为帧优先级 转发令牌 是 令牌优先级≤ 帧优先级吗? 发送信息 否 等待帧被接受 是 是否食令牌? 否 是该节点的帧? 是 复制并重复帧 否 进入Xmit例程 重复帧 将帧传至更高层 接收信息 (字节) 令牌帧 (字节) 信息帧 (字节) AC字段 帧开始/结束标志(SD/ED):标识帧的开始和结束,取值为JK0JK000和JK1JK1IE; E位(差 错标志):由RPU置位,RPU在转发每个帧的同时,也执行差错校验动作,并利用RPU具有的 一位延迟来置位差错标志。 访问控制字段(AC): Pr/Rr:本帧优先级和预定优先级, T:令牌标识,T=0时,标识对应帧为令牌帧,T=1时,标识对应帧为信息帧。 M:监视位,由环路中的监控器(或者具有监控功能的RPU)填写,发送结点发送该帧(或令 牌)时,M置为0,当该帧经过监控器时,监控器将该位置为1。如果监控器发现监视位已经被置 为1,则认为发送结点出了故障,未能按规定撤出该帧,此时监控器负责撤出该帧,并发出令牌 帧。 帧控制字段(FC):格式为“FFzzzzzz”; FF:帧的种类,FF=00,MAC控制帧; FF=10,管 理帧。FF=01,数据帧,本帧携带的LLC帧填放在DATA字段中 帧状态标志(FS):格式为“ACxxACxx”;由发送方复位和接收方置位,表示帧的收取状况。 A:地址确认位,由接收方置位,表示帧中的宿地址正确; C:信息复制位,由接收方置位,表示此帧已被接收方正确复制。 Xx:保留未用。 令牌环网的优缺点 优点 ? 确定性和通信量可以被 确定优先级。 ? 帧中不要求填加数据, 所以帧比较短。 ? 在负载较大的情况下, 仍有良好的性能。 ? 通过环的接线集中器, 环可以被桥接入环中有 效的部位,环的大小没 有实际的限制。 缺点 ? 在低负载的情况下,甚 至网络是空载的时候, 有一段等待令牌返回的 延迟。 ? 较高的费用。 ? 与以太网相比,安装和 管理更为复杂。 逻辑链路控制层(LLC) 逻辑链路控制PDU格式: DSAP SSAP 控制 信息 DSAP:目标服务访问点。 SSAP: 源服务访问点。 控制: 控制字段。 信息: 信息字段。 IP IPX APPN 逻辑链路控制 CSMA/CD 令牌环 令牌总线 LLC操纵功能 链路层向网络层提供的服务 无确认的无连接服务:目的结点不作确认,差 错由上层负责。适合于实时传输。 ? 有确认的无连接服务:目的结点对收到的帧要 作确认,发送结点可以知道已发出的帧是否安 全到达目的结点;误帧重传。适用于不可靠信 道。 ? 面向连接服务:可靠地传送数据地服务,即提 供在网络实体间建立、维持和释放数据链路地 功能 ?

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