第3章局域网技术.ppt

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1、2019/4/16,汾阳师范信息技术系,1,计算机网络基础教程,王建平 山西吕梁高专汾阳师范信息技术系,,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,2,第3章 局域网技术,本章内容： 3.1 数据链路层基础 3.2 局域网的体系结构 3.3 以太网标准 3.4 以太网设备与相关技术 3.5 无线局域网 3.6 其它局域网技术 3.7 实训项目,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,3,3.1 数据链路层基础,数据链路层最重要的作用就是通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。,3.1.1 数据链路层的功能 数据链路层要完成许多特定的功能。这些功能包括为网络层提供设计良好

2、的服务接口，处理帧同步，处理传输差错，调整帧的流速，不至于使慢速接收方被快速发送方淹没。 (1)为网络层提供服务 数据链路层的功能是为网络层提供服务。其基本服务是将源机器中来自网络层的数据传输给目的机器的网络层。 数据链路层一般都提供3种基本服务，即无确认的无连接服务、有确认的无连接服务、有确认的面向连接的服务。 （a）无确认的无连接服务 无确认的无连接服务是源机器向目的机器发送独立的帧，而目的机器对收到的帧不作确认。如果由于线路上的噪声而造成帧丢失，数据链路层不作努力去恢复它，恢复工作留给上层去完成。这类服务适用于误码率很低的情况，也适用于像语音之类的实时传输，实时传输情况下有时数据延误比数

3、据损坏影响更严重。大多数局域网在数据链路层都使用无确认的无连接服务。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,4,3.1 数据链路层基础,（b）有确认的无连接服务 这种服务仍然不建立连接，但是所发送的每一帧都进行单独确认。以这种方式，发送方就会知道帧是否正确地到达。如果在某个确定的时间间隔内，帧没有到达，就必须重新发此帧。 （c）有确认的面向连接的服务 采用这种服务，源机器和目的机器在传递任何数据之前，先建立一条连接。在这条连接上所发送的每一帧都被编上号，数据链路层保证所发送的每一帧都确实已收到。而且，它保证每帧只收到一次，所有的帧都是按正确顺序收到的。面向连接的服务为网络进程间提供了可靠地传

4、送比特流的服务。 (2). 链路管理 链路管理就是进行数据链路的建立、维持和拆除。 (3)帧同步 在数据链路层，数据的传送单位是帧。所谓帧，是指从物理层送来的比特流信息按照一定的格式进行分割后形成的若干个信息块。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧再重传一次，从而避免了将全部数据都重传。 帧同步是指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方。 把比特流分成帧，目前常用的有以下4种方法。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,5,3.1 数据链路层基础,（1）字符计数法 它是在帧头部中使用一个字段来标明帧内字符的数量。如图3-10所示。,图3-10 一个

5、字符流 （a）无差错 （b）有一个差错 这个方法的问题是：计数值有可能由于传输差错而被修改，从而造成收发双方不同步。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,6,3.1 数据链路层基础,（2）带字符填充的首尾界符法 它在每一帧中以字符序列DLE STX开头，以DLE ETX结束（DLE的ASCII码为0010000，STX的ASCII码为0000010，ETX的ASCII码为0000011）。 用这种方法，目的机器一旦丢失帧边界，它只需查找DLE STX或DLE ETX字符序列，就可以找到它所在的位置。 这个方法的问题是：当传送像目标程序或浮点数这样的二进制数据时，DLE STX或DLE ET

6、X字符可能出现在数据中，这种情况会干扰帧边界的确定。 一种解决办法是使发送方的数据链路层在数据中的每个偶然遇到的DLE字符前，插入一个DLE的ASCII码。接收方的数据链路层在将数据交给网络层之前丢掉这个DLE字符，这种技术叫做字符填充。 用这种方法成帧的主要缺点是帧内容要完全依赖于8位字符，特别是ASCII字符。 （3）带位填充的首尾标志法 这种方法允许数据帧包含任意个数的比特，而且也允许每个字符的编码包含任意个数的比特。 它的工作方式如下：每一帧使用一个特殊的位模式，即01111110作为开始和结束标志字节。 当发送方的数据链路层在数据中遇到5个连续的1时，它自动在其后插入一个0到输出比特

7、流中。这种位填充技术类似于字符填充技术。 当接收方看到5个连续的1后面跟着一个0时，自动将此0删去。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,7,3.1 数据链路层基础,如果用户数据中包含着与位模式相同的数据01111110，则将以011111010的形式传送出去，但是仍然以01111110的形式存放在接收方的存储器中。 采用位填充技术，两帧间的边界就可以通过位模式唯一地识别。如果接收方失去同步，它只需在输入流中扫描标志序列，即可重新获得同步。 （4）物理层违例编码法 这种方法只适用于那些在物理介质的编码策略中采用冗余编码的网络。 例如，曼彻斯特编码方案中，将数据位1编码成“高低”电平对，将数

8、据位0编码成“低高”电平对，而“高高”电平对和“低低”电平对在数据编码中是违例的。可以借用这些违例编码序列来定界帧的开始和终止。 局域网IEEE802标准中就采用了这种方法。 违例编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。 很多数据链路协议使用字符计数与其他方法相结合来提高可靠性。当一个帧到达时，其计数字段被用来确定帧尾的位置。只有当帧界定符出现在帧尾的位置，而且校验和是正确的时候，这个帧才会被接收为有效帧。否则，将继续扫描输入流直到下一个界定符。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,8,3.1 数据链路层基础,4差错控制 传送帧时可能出现的差

9、错有：位出错，帧丢失，帧重复，帧顺序错。 位出错的分布规律及出错位的数量很难限制在预定的简单模式中，一般采用漏检率及其微小的CRC检错码再加上反馈重传的方法来解决。 为了保证可靠传送，常采用的方法是向数据发送方提供有关接收方接收情况的反馈信息。一个否定性确认意味着发生了某种差错，相应的帧必须被重传。这种做法即是反馈重传。 更复杂的情况是，一个帧可能完全丢失（比如，消失在突发性噪声中）。在这种情况下，发送方将会永远等下去。 这个问题可以通过在数据链路层中引入计时器来解决，当发送方发出一帧时，通常也启动计时器。该计时器计到设置值的时间时清为零。 如果所传出的帧或者确认信息被丢失了，则计时器会发出超

10、时信号，提醒发送方可能出现了问题，最明显的解决方法是重传此帧。 但是多次传送同一帧的危险是接收方可能两次甚至多次收到同一帧，为了防止这种情况发生，通常有必要对发出的各帧编号，这样接收方就能辨别出是重复帧还是新帧，还能分辨出帧顺序错。 采用定时器和编号的主要目的是保证每帧都能最终正确地传给目的地网络层。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,9,3.1 数据链路层基础,5流量控制 在数据链路层及较高层中另一个重要的设计问题是：如何处理发送方的传送能力比接收方接收能力大的问题？ 通常的解决办法是引入流量控制来限制发送方所发出的数据流量，使其发送速率不要超过接收方能处理的速率。 6. 将数据和控制

11、信息区分开。 7. 透明传输。 所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应该能够在链路上传送。 8. 寻址。 必须保证每一个帧都能发送到正确的目的站.收方也应知道发送方是哪个站.,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,10,3.1 数据链路层基础,1、停止等待协议 为了使接收方的接收缓存在任何情况下都不会溢出，流量控制的最简单办法就是发送方每发送一帧就暂时停下来。接收方收到数据帧交付主机后发送一个信息给发送方，表示接收任务已经完成。这时，发送方才发送下一个数据帧。 解决差错控制的方法是接收方在收到一个正确的数据帧后，即交付主机，同时向发方发送一个确认帧ACK。当发方收到确认帧ACK

12、后才能发送一个新的数据帧。当数据帧在传达室输过程中出现了差错，接收方是很容易检测出收到的数据帧是否有差错，一旦发现有错，收方会将该帧丢弃，同时向发方发送一个否认帧NAK，以表示发方应当重传出现差错的那个数据帧。如果出现帧丢失，则在发送端设置一个超时计时器，若时间到了仍收不到任何确认帧，则重传前面所发送的这一数据帧。但这会带来重复帧问题，解决的办法就是给每一个数据帧带上不同的发送序号。,A,B,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,11,3.1 数据链路层基础,时间,丢失,ACK,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,12,3.1 数据链路层基础,2、连续ARQ协议 为了提高效率，就可采用连

13、续ARQ的方式，即在发送完一个数据帧后，不是停止等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那就还可以接着发送数据帧。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,13,3.1 数据链路层基础,3、滑动窗口协议 在所有的滑动窗口协议中，每一个要发出的帧都包含一个序列号，范围是0到某个最大值。 任何时刻发送过程都保持着一组序列号，对应于允许发送的帧。这些帧在发送窗口之内。类似地，接收过程也维持一个接收窗口，对应于一组允许接收的帧。发送过程的窗口和接收过程的窗口不需要有相同的窗口上限和下限，甚至不必具有相同的窗口大小。在某些协议中，窗口的大小是固定的，但在另外一些协议

14、中，窗口可以根据帧的发送、接收而变大和缩小。 滑动窗口的基本思想是：发送方要预约一个窗口，窗口尺寸（以W表示）值表示能进入窗口的分组个数。例如，W=4，则表示发送方可有4个要发送的分组进入窗口，进入窗口的分组可一次连续发送。窗口是滑动的，在发送出一个或多个分组获得确认后，窗口相应滑动，移出已获得确认的分组，移入下面新的待发分组。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,14,3.1 数据链路层基础,发送窗口中的序列号代表已经发送了的但尚未确认的分组。来自网络层的一个新分组无论何时到达，都会给此分组下一个最高的序列号，而且此窗口的上限加1，当确认到来，窗口的下限加1。用这种方法，窗口可维持一系列

15、未确认的分组。 如果窗口一旦达到最大值，发送过程的数据链路层必须强制关闭网络层的传送，直到有一个缓冲区空闲出来为止。 如图3-11所示，W=4。,图3-11 发送方滑动窗口,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,15,3.1 数据链路层基础,接收方对分组的确认是逐个进行的，但分组到达的顺序可能是随机的。接收方在4号分组先得到确认，而3号分组尚未获得确认之前发送窗口是不能滑动的。只有在3、4号分组都获得确认后才一起移出。这样就可以保证按发送方的传送顺序传输所有的帧给接收方机器的网络层。 如设置W=1，则成了简单的停顿协议，即每发送一个分组后需获得对方确认后才能发下一个分组，显然这种方式信道利用

16、率较低。 接收方滑动窗口内的分组表示允许接收的分组，移出窗口的分组为已确认的分组。当序列号等于窗口的下限的帧收到后，把它交给网络层，产生一个确认，且窗口整个向前移动一个位置，移出后空缺的部分（序列号最大的部分）可移入新的允许接受的分组。 不像发送方的窗口，接收方窗口总是保持初始时的大小。 滑动窗口技术限制了信息流突发性的过量输入，并对停顿协议作了改进，提高了信道有效利用率。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,16,3.1 数据链路层基础,3.1.2 HDLC 高级数据链路控制 HDLC是一种数据链路层协议，它广泛应用于X.25及许多其他网络中。 1、HDLC适用环境与数据传输方式 HDL

17、C可适用于链路的两种基本配置，即非平衡配置和平衡配置。非平衡配置的特点是由一个主站控制整个链路的工作。平衡配置链路两端都是复合站。 HDLC有三种数据传送模式。 非平衡配置（1）正常响应方式NRM；（2）异步响应方式 平衡配置：异步平衡方式ABM 2、 HDLC的帧结构 HDLC是一种面向位的协议，而且使用位填充来保证数据的透明性。所有面向位的协议所使用的帧的结构如图3-12所示。,数据链路层协议举例,图3-12 面向位的协议的帧格式 帧是用一标志序列（01111110）来分隔的。在空闲的点到点线路上，标志序列不断地进行传输。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,17,3.1 数据链路层基

18、础,（1）标志字段F 为了实现数据链路层的帧同步问题。长度为8个比特位。如：01111110 （2）地址字段A 占8位。 （3）信息字段I 一般信息字段长度是8位的倍数。 （4）帧检验序列FCS。该字段占16位，其作用是进行差错控制。 （5）控制字段C 共8位。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,18,3.1 数据链路层基础,控制字段有三种类型的帧：信息帧，监控帧和无序号帧。 在图3-13中给出了这三种帧的控制字段的内容。协议使用了具有3位序列号的滑动窗口。在任何时刻，最多可以有7帧待确认。,图3-13 （a） 信息帧的控制字段 （b） 一个监控帧的控制字段 （c） 一个无序号帧的控制字

19、段,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,19,3.1 数据链路层基础,在图3-13（a）中， Seq（序号）字段是帧的序列号。 Next（下一个）字段是一个确认，它不是正确接收到的最后一帧的序号，而是未收到的第一帧的序号（即下一个希望收到的帧）。 P/F位代表Poll/Final（查询/最后）。 在计算机（或集中器）查询一组终端时使用。 监控帧的各种类型是由Type（类型）字段进行区分的。 类型0是用来指示希望收到下一个帧的一个确认帧。 类型1是否定性确认帧。 类型2是接收准备尚未就绪。 类型3是选择性拒绝。它只要求指定的帧重传。 帧的第3种类型为无序号帧。它有时用于控制目的，但也可以在不

20、可靠非连接服务中用来携带数据。 控制帧就像数据帧一样，可能丢失或损坏，因此它们也必须确认。为此提供了一种特殊的控制帧用于此目的。这种特殊的控制帧称为无序号确认UA（Unnumbered Acknowledgement） 。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,20,3.2 局域网的体系结构,局域网LAN(Local Area Network),是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连在一起，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。,2019/4/1

21、6,汾阳师范信息技术系,21,3.2 局域网的体系结构,局域网的主要特点,（1）网络所覆盖的地理范围比较小 （2）高传输速率和低误码率 （3）局域网一般为一个单位所建，网络的经营权和管理权属于某个单位 （4）局域网与广域网侧重点不完全一样，局域网侧重共享信息的处理，而广域网一般侧重共享位置准确无误及传输的安全性。 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。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,22,3.2 局域网的体系结构,3.2.1 局域网参考模型（或层次模型） 在ISO

22、的开放系统互连模型（OSI/RM）中，其下三层主要涉及的是通信功能。在这方面局域网有自身的特点。 首先，局域网中数据以帧为单位传输； 其次，局域网内一般不需要中间交换，其拓扑结构有总线形、星形和环形，故路径选择功能可大大简化，通常不设单独的网络层。 结合局域网自身特点，参考OSI/RM，IEEE 802提出了局域网的参考模型（LAN/RM），如图3-27所示。,图3-27 LAN/RM与OSI/RM对比,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,23,3.2 局域网的体系结构,图3-27 LAN/RM与OSI/RM对比,与OSI/RM相比，LAN/RM只相当于OSI的最低两层。物理层用来物理连接

23、是必需的，数据链路层把数据构成编址帧形式传输，并实现帧的排序控制、差错控制及流量控制功能，使不可靠的链路成为可靠链路，因此也是必需的。由于局域网没有路由问题，任何两点之间可用一条直线链路进行传输，所以不需要设置网络层。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,24,3.2 局域网的体系结构,由于局域网的种类繁多，其介质访问的方法也各不相同，为了使局域网中数据链路层不致过于复杂，LAN/RM将其划分为两个子层，即介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。 与访问各种传输介质有关的问题都放在MAC子层，当介质存取方法改变时，不致于影响其他较高层协议。 数据链路层中与介质访问无关的部分

24、都集中在LLC子层。 LAN/RM中物理层和数据链路层的功能如下： 1物理层 物理层提供在物理层实体间发送和接收比特的能力，一对物理层实体能确认出两个介质访问控制MAC子层实体间同等层比特单元的交换。物理层也要实现电气、机械、功能和规程四大特性的匹配。 2数据链路层 数据链路层的功能分别由其LLC子层和MAC子层承担。 LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口（具有发送帧和接收帧的功能）。还具有帧顺序控制及流量控制等功能。LLC子层还包括某些网络层功能，如数据报、虚电路控制和多路复用等，由于局域网中的数据是按编址的帧传送，没有中间交换，因而不需要路由选择。 MAC子层支持数据链路功能，并为LLC

25、子层提供服务。支持CSMA/CD，令牌环、令牌总线等介质访问控制方式。它判断哪一个设备具有享用介质的权力以及介质操作所需要的寻址。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,25,3.2 局域网的体系结构,3.2.2 IEEE 802标准系列 在局域网络标准化中，IEEE起了很大的作用。许多IEEE 802标准已成为ISO国际标准。IEEE 802委员会公布的标准有： 1.802.1A：局域网络和城域网络标准：综述和体系结构。 2.802.1B：局域网络的寻址、网络互连及其管理。 3.802.2：逻辑链路控制。 4.802.3：CSMA/CD及100BaseX访问方法及物理层规范。 5.802.

26、4：令牌总线访问方法及物理层规范。 6.802.5：令牌环访问方法及物理层规范。 7.802.6：城域网络标准。 8.802.7：宽带局域网络标准。 9.802.8：光纤局域网络标准。 10.802.9：综合话音数据局域网络标准。 11.802.10：可互操作的局域网络的安全。 12.802.11：无线局域网络标准。 13.802.12：新型高速局域网络（100VG-AnyLAN）标准。 14.802.14: 基于有线电视的宽带通信网络 现在IEEE802.1802.6已成为ISO的国际标准ISO8802.18802.6。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,26,3.2 局域网的体系结构

27、,3.2.3 局域网络介质访问方式,网络介质访问方式是一种方法，网络站利用它使用实际网络通道，以便通过网络发送报文。 下列是用于局域网通信中最常用的访问方式。 1.查询（Polling）； 2.令牌环（Token Ring）； 3.载波检测多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, 简写为CSMA/CD）； 4.令牌总线（Token Bus）。 (1) 查询 在查询方案中，用户按照下列步骤取得对网络通道的访问。 1.中心结点有规律地查询每个网络站，以获悉它是否有报文要发送。 2.每当网络站有报文要发送，就清除通道，网

28、络站得到通道的专用权并发送报文。 这个方案最适用于有中心控制结点的结构，如星形拓扑。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,27,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,(2) 令牌环 在用于环形和总线网络中的令牌传递方案中，令牌沿网络通道传送，有规律地经过每个结点，令牌通常是一个8位的包。 以下是令牌传递过程的简述： 1.当有一个结点有数据帧要发送时，它首先检测令牌是否有空，如果有空，它夺取令牌并将其数据帧附在令牌上。 2.当携带数据帧的令牌继续环行时，后面的每个结点都校验数据帧。 3.目的设备辨认出此数据帧，接收它，并将一个收据信号附在令牌上，随后令牌继续环行。 4.

29、当源设备收到收据信号后，它就解除令牌的忙状态，于是令牌自由环行，过程又重新开始。 图3-28表示令牌在环上传送过程。,图3-28 令牌环,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,28,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,图3-28中 （a）表示结点A要求获得令牌发送数据； （b）表示结点A把数据送到环上，结点C开始拷贝数据至自己的缓冲区，数据进行沿环传输； （c）表示数据回到结点A，它把数据从环上移去，再发出空闲令牌。 令牌环的主要优点在于它提供的访问方式的可调整性和确定性，且各站具有同等访问环的权力，但也可以有优先权操作和带宽保护。适合使用光纤通信介质，实现高速传输，

30、实时性强，适用于分布控制应用环境。 令牌环主要缺点是有较复杂的令牌维护要求。空闲令牌的丢失，将降低环路的利用率，令牌重复也会破坏网的正常运行，故必须选一个工作站作为监控站。 如果监控站失效，竞争协议将保证很快地选出另一站点作为监控站（每个站点都具有成为监控站的能力）。当监控站正常运行时，它单独负责判断整个环的工作是否正确。 环网潜在的问题是，一个结点连接出问题都会使网络失效，可靠性差。另外，结点入环、退环都要暂停环网工作，灵活性差。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,29,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,(3) 载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD） C

31、SMA/CD允许所有网络用户对网络通道进行同等访问，并无中央结点来控制通道的访问，也没有令牌。这一方案用于总线拓扑上较多。 下面是CSMA/CD的工作过程简述： 1.要发送报文的结点必须监视通道以辨别何时通道是可用的（该时刻没有其他网络站在发送），这是载波检测。 2.当结点检测到通道有空时，它就发送报文，并以接收设备的地址进行标志。 3.所有空闲的网络站（未进行传输的站）继续监视通道报文。 4.被标记的结点接收报文，并返回一个确认帧。 5.当发送通道检测到冲突，它们就停止传输，等待一个随机时间后重新发送。 6.网络站在通知用户网络太忙之前，典型地重发16次。 由于传输线上不可避免的传输延迟，有

32、可能多个站同时侦听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突，故每个工作站发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输线发送，一旦发现，便中止当前发送，并向传输线发送一串阻塞信号，让传输线上其他各站均能感知冲突已经发生，这就是“冲突检测”。 发送冲突的信息必须重发。参与冲突的各站分别延迟不同时间（称为后退）后重新发送。为公平起见，各站后退一随机时间周期再去抢占线路发送。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,30,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,一般采用称作“二进制指数后退算法”，确定后退时间周期。方法是：i次冲突后，等待时隙数就从02i-1中随机选

33、出。最小后退周期至少是一个时隙（一个时隙是信息在网上传输往返一次所需的时间）。如果冲突次数高，表明网络繁忙，发送站应增加后退时间，以降低再次产生冲突的可能性。 当达到10次冲突后，随机等待的最大时隙数就被固定在1023。16次冲突后，控制器将不再动作，并向计算机报告发送失败。进一步的恢复留待高层进行。 图3-29示出以太网采用CSMA/CD控制方式的发送流程，这种方式已列为IEEE 802.3标准。,图3-29 CSMA/CD发送过程 CSMA/CD的主要优点是简单、可靠、传输延迟小且成本低，但它不能适用实时控制的需要，传输效率不高，只能在负载不太重的局域网中使用。,2019/4/16,汾阳师

34、范信息技术系,31,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,(4) 令牌总线 这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定逻辑位置，末站的后站就是首站（即首尾相连），每站都了解其先行站和后继站的地址, 总线上各站的物理位置与逻辑位置无关，如图3-30所示。,图3-30 令牌总线,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,32,3.2 局域网的体系结构,3.2.3 局域网络介质访问方式,站点连到电缆上的实际顺序并不重要。因为电缆是固有的广播介质，所以每个站点都可以收到所有的帧，但把不是发给它的帧

35、丢掉。当站点传递令牌时，只要向环上的逻辑邻居发送一令牌帧，无需考虑该邻居实际上位于电缆何处。 称为令牌的控制帧调整访问的权利。令牌帧包含目的地址，收到令牌的工作站在一段规定的时间内被授予对介质的控制权，因而该站可以发送一帧或多帧信息。 这种方式要求一定的维护工作量。至少，应完成以下几种维护操作： 1环的初始化；2加入环路；3退出环路；4恢复,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,33,4.2.2 介质访问控制方法,1带有碰撞检测的载波侦听多点访问法(CSMA/CD) CSMA/CD是英文Carrier Sense Multiple Access With Collision Detectio

36、n 的缩写, 含有两方面的内容:即载波侦听（CSMA）和碰撞检测（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。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,34,CSMA/CD的设计思想,（1）侦听（监听）总线 用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息（也称为载波识别） （2）冲突检测（碰撞检测） 结点在发送数据的同时应该进行冲突检测。冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例判决法。 任何一个结点发送数据都要通过CSMA/CD方法去争取总线使用权，从它准备发送到成功发送的

37、发送等待延迟时间是不确定的。因此人们将Ethernet所使用的CSMA/CD方法定义为一种随机争用型介质访问控制方法。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,35,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，网络负载轻时效率较高。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。为了克服以上特点，产生了CSMA/CD的改进方式，如带优先权的CSMA/CD访问方式，带回答包的CSMA/CD访问方式，避免冲突的CSMA/CD访问方式等。,

38、2019/4/16,汾阳师范信息技术系,36,2令牌环访问控制法(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，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；网络中的节点只有获得令牌才可以发送数据。因而，在令牌环网中不会发生冲突。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,37,令牌环工作原理,（c）数据循环一周后，节点A将其收回 （d）产生新的令牌发送到环路中,（a）节点A截获令牌并准备发送数据 （b）节点A将数据发送到节点C

39、,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,38,令牌环访问控制法的特点,令牌方式在轻负载时，由于发送信息之前必须等待令牌，加上规定由源站收回信息，大约有50%的环路在传送无用信息，所以效率较低。然而在重负载环路中，令牌以“循环”方式工作，故效率较高，各站机会均等。令牌环的主要优点在于它提供的访问方式的可调整性，它可提供优先权服务，具有很强的实时性。其主要缺点是需有令牌维护要求，避免令牌丢失或令牌重复，故这种方式控制电路较复杂。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,39,3令牌总线访问控制法(Token Bus),Token Bus是令牌通行总线(Token Passing Bus)的简写。

40、这种方式主要用于总线型或树型网络结构中。1976年美国Data Point公司研制成功的ARCnet(Attached Resource Computer)网络，它综合了令牌传递方式和总线网络的优点，在物理总线结构中实现令牌传递控制方法从而构成一个逻辑环路。此方式也是目前微机局域中的主流介质访问控制方式。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,40,令牌总线结构,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,41,令牌总线访问控制法的特点,Token Bus方式的最大优点是具有极好的吞吐能力，且吞吐量随数据传输速率的增高而增加并随介质的饱和而稳定下来但并不下降；各工作站不需要检测冲突，故信号电压容

41、许较大的动态范围，联网距离较远；有一定实时性，在工业控制中得到了广泛应用,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,42,4.3 以太网与交换式以太网,4.3.1 IEEE802.3与以太网 目前应用最广泛的一类局域网是以太网Ethernet。它是由美国施乐（Xerox）公司于1975年研制成功并获得专利。此后，Xerox公司与DEC公司、Intel公司合作，提出了Ethernet规范，成为第一个局域网产品规范，这个规范后来成为IEEE802.3标准的基础。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,43,Ethernet,典型的总线型局域网，其连接情况如图所示，它的传输速率为10Mbps。Eth

42、ernet的核心技术是它的随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）方法。,以太网的介质访问控制方法CSMA/CD的基本工作原理可以从MAC帧结构、发送流程及接收流程三方面结合进行讨论,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,44,1MAC帧结构,以太网的帧结构如图所示,前导码：前导码由7个字节的“10101010”比特串组成，其作用是使发送方和接收方同步。帧定界符：帧定界符包括一个字节，其位组合是10101011。其作用是标志着一帧的开始。目的地址：为发送帧的目的

43、接收站地址，由2或6个字节（48位）组成，对10Mbps的标准规定为6字节。如果目的地址是全1，目的站为网络上的所有站，即为广播地址。源地址：标志发送站的地址，也由2或6个字节组成.。长度：长度字段由两个字节组成，用来指示数据有多少个字节。数据：真正在收发两站之间要传递的数据块。标准规定数据块最多只能包括1500个字节，最少也不能少于46个字节，如果实际数据长度小于46个字节，则必须加以填充。校验位：帧校验采用32位CRC校验，校验范围是目的地址、源地址、长度及数据块。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,45,2帧的发送流程,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,46,3帧的接收过程,

44、在以太网中，节点要送数据需要通过竞争才能取得总线的使用权。不发送的节点应该一直处于接收状态。一个节点收完一帧后。首先检查帧长度，如果帧长度小于规定的最小长度，说明一定是发生冲突后废弃的帧，接收节点丢弃已收到的帧，重新进入等待接收状态。如果帧长度正常，则接收节点接着检查帧的目的地址，如果目的地址是本节点地址，则接收该帧。如果目的地址不是本节点地址，则丢弃该帧。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,47,4.3.2 交换式以太网,1共享式以太网,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,48,带双卡服务器的共享式以太网,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,49,交换式以太网,2019/4/1

45、6,汾阳师范信息技术系,50,共享式交换以太网,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,51,4.4 虚拟局域网,4.4.1 虚拟网络的概念和作用,虚拟网络(Virtual Network)的概念是由于工作组(Workgroup)的需要而产生，伴随高速网络的发展而实现的。它将逻辑的网络拓扑与物理的网络设施相分离，将网络上的节点按照工作性质与需要划分为若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组就被称为一个虚拟局域网(VLAN，Virtual LAN)。 在大型局域网和校园、企业网的建设过程中，VLAN的规划和划分是网络是否可以安全、方便地管理和运行的重要保证条件。,2019/4/16,汾阳师范信息技术

46、系,52,划分为不同VLAN的计算机,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,53,4.4.2 虚拟局域网的划分方法,1基于交换机端口的虚拟局域网,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,54,2基于MAC地址的虚拟局域网,MAC地址是连接在网络中的每个设备网卡的物理地址.由于MAC地址属于数据链路层，以此作为划分VLAN的依据能很好地独立于网络层上的各种应用。当某一用户节点从一物理网段移动到虚拟网络的其它物理网段时，由于它的MAC地址不变，所以该节点将自动保持原来的VLAN成员的地位，对用户端无需作任何改动，真正做到了基于用户的虚拟局域网。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,55,3基

47、于网络层的虚拟局域网,基于网络层的虚拟局域网也称为隐性标志(ImplicitlyTagged)的方法，主要通过第3层的协议信息来区别不同的虚拟局域网。划分的依据则主要是协议类型或地址信息等，这非常有利于组成基于具体应用或服务的虚拟局域网；同时，用户成员可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于了TCPIP协议的用户是特别有利的。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,56,4IP广播组虚拟局域网,这种虚拟局域网的建立是动态的，它代表一组IP地址。由虚拟局域网中叫做代理的设备对虚拟局域网中的成员进行管理。当IP广播包要送达多个目的节点时，就动态建立虚拟局域网代理；这个代理和多个IP节点组

48、成IP广播组虚拟局域网。网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP广播组，节点如果响应信息，就可以加入IP广播组，成为虚拟局域网中的一员，与虚拟局域网中的其他成员通信。IP广播中的所有节点属于同一个虚拟局域网，但它们只是特定时间段内特定IP广播组的成员。IP广播组虚拟局域网的动态特性提供了很高的灵活性，可以根据服务灵活地组建，而且它可以跨越路由器形成与广域网的互连。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,57,4.4.3 虚拟网络的优点,使用VLAN技术，通过合理地划分VLAN来管理网络具有许多优点 1控制网络广播风暴 2增加网络的安全性 3提高了网络的性能 4易于网络管理,2019/4

49、/16,汾阳师范信息技术系,58,4.5 高速局域网技术,4.5.1 快速以太网 随着通信技术的发展以及用户网络带宽需求的增加，原有的10Mbps传输速率的LAN已难以满足通信要求，为了提高网络速率，加大网络带宽，出现了快速以太网，或者说100M传输速率的以太网。 快速以太网有两种，一种叫100Base-T，另一种是100VG-AnyLAN。下面分别加以介绍。,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,59,1100Base-T,100Base-T是10Base-T的扩展，其物理布局如图所示，拓扑结构为星形。MAC层仍采用CSMA/CD介质访问控制方式。100Base-T目前被IEEE定为正式的国际标准，其代号为IEEE802.3U,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,60,100Base-T物理层规范,（1）100Base-Tx用于2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对一类屏蔽双绞线（STP） （2）100Base-T4用于4对三类非屏蔽双绞线UTP （3）100Base-FX用于2芯的多模或单模光纤,2019/4/16,汾阳师范信息技术系,61,2. 100VG-AnyLAN,100VG-Any