四章节计算机局域网络.ppt

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1、Page 1,2019/7/31,第四章 计算机局域网络,本章重点 局域网的特点及关键技术 介质访问控制方法： CSMA/CD，TOKEN-PASSING 以太网技术 高速局域网,Page 2,2019/7/31,4.1 局域网(LAN)概述,LAN的特点,覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离25km 高传输速率 10Mbps1000Mbps 低误码率 10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑 双绞线、同轴电缆、光纤 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Switch,Server farm,station,stations,stations,Page 3,2019/7/31,

2、2. 局域网的关键技术,拓扑结构（逻辑、物理） 总线型、星型、环型、树型 介质访问方法 按协议实现信道共享: CSMA/CD和Token-passing 信号传输形式 基带、宽带,Page 4,2019/7/31,LAN典型拓扑结构,总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 星型 : 所有结点都连接到中央结点 环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,Page 5,2019/7/31,3. LAN参考模型,IEEE802标准,网络层,数据链路层,物理层,逻辑链路控制 LLC,媒体访问控制 MAC,高层,OSI,IE

3、EE 802,物理层PHY,由NOS来实现,Page 6,2019/7/31,IEEE802标准的主要成员,802.2 - 逻辑链路控制LLC 802.3 - CSMA/CD（以太网） 802.4 - Token Bus （令牌总线） 802.5 - Token Ring（令牌环） 802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准 802.8 FDDI（光纤分布数据接口） 802.11 无线LAN,Page 7,2019/7/31,802.3 CSMA/CD,802.4 Token Bus,802.5 Token Ring,802.6 DQDB,802.8 FDDI,802.2 LLC,

4、数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1D Bridge,802.1A 体系结构,IEEE802体系结构示意图,PHY,Page 8,2019/7/31,4.2 局域网中的介质访问控制方法,载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD) Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 令牌传递(Token Passing) Token Ring Token Bus FDDI(双环),常见的有两种：,Page 9,2019/7/31,1.CSMA：载波监听多点访问,工作原理：发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则

5、此站不能发送，需等待一段时间后重试。 载波监听策略： 非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。 坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据 p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送） CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象。,Page 10,2019/7/31,2.CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问,工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后

6、，再重新尝试。,Page 11,2019/7/31,CSMA/CD的流程图,Page 12,2019/7/31,3. 令牌环（IEEE802.5）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环, 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,发送缓冲区,接收缓冲区,接收,发送,线路驱动,线路接收,控制器,DTE,环路输入,环路输出,干线耦合器的结构, 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps； 最多站点数：250， 信号采用曼彻斯特编码,TCU,高层软件,Page 13,2019/7/31,干线耦合器（TCU）,工作状态： 发送方式 （站点发送数据时） 收听/转发方式（其他时候） 收听方式下，TCU与

7、DTE断开 TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。 发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出端发送到下一个TCU的输入端。,DTE,TCU,收听方式,K,K,DTE,TCU,发送方式,K,K,Page 14,2019/7/31,Token Ring/802.5的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 2）拿到令牌的站将令

8、牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,Page 15,2019/7/31,3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。 4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,Page 16,2019/7/31,Token Ring/802.5的操作举例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,D

9、ata,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后 A将数据帧回收 并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,Page 17,2019/7/31,IEEE802.5的帧结构, 起始、结束标志 访问控制字段包括：,起始,接入控制,结束,1B,1B,1B,令牌帧,非令牌帧（信息帧/控制帧）,起始,访问控制,帧控制,目的地址,源地址,数据,FCS,结束,帧状态, 优先级与预约及优先级限制位。 令牌位：帧类型标识。0 - 令牌；1 - 信息/控制帧 监督位：防止无效帧在环路中无限循环。,Page 18,2

10、019/7/31,实际结构星型环路,A,B,C,D,E,集线器,Page 19,2019/7/31,4.令牌总线(IEEE 802.4), 特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 物理层：传输媒体为75宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； 传输机制为以太网和令牌环的结合： 物理传输采用广播方式； 介质访问控制采用令牌方式。,Page 20,2019/7/31,5. LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC 功能分解的目的： 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题

11、。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。 LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。,Page 21,2019/7/31,LAN的链路层与传统的数据链路层的区别： LAN链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点、多路复用、流量控制、差错控制. MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。 LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。 LAN对LLC子层透明，仅在MAC子层才可见LAN的标准(对不同的LAN标准，区别在MAC子层),P

12、age 22,2019/7/31,LLC的帧结构,DSAP,SSAP,控制,数据,1,1,1/2,长度无限制 单位：字节,高层PDU,LLC数据,LLC首部,MAC首部,MAC尾部,MAC数据,LLC帧和MAC帧的关系,Page 23,2019/7/31,MAC子层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC地址（物理地址） MAC地址为6Byte（48位）。 MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,Page

13、24,2019/7/31,5. LAN的网络层和高层,网络层 由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。 高层 局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。,Page 25,2019/7/31,4.3 以太网,70年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为2.94M，称为Ethernet（以

14、太网）。 经DEC, Intel and Xerox公司改进为10M标准(DIX 标准) 。 1985年定名为IEEE 802.3，即使用1坚持的CAMA/CD协议的LAN标准，数据率从1M到10M (现已发展到1000M)，支持多种传输媒体。 Ethernet是指基带总线LAN。 Ethernet和IEEE 802.3的帧格式不同。,1. Ethernet和IEEE 802.3,Page 26,2019/7/31,IEEE 802.3 规范,传统以太网 802.3 同轴电缆Ethernet 802.3a 细缆Ethernet 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网FE 802.

15、3u 双绞线，光纤 千兆以太网GE IEEE802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 IEEE802.3ab 双绞线,Page 27,2019/7/31,802.3布线介质标准,10Base5 粗同轴 10Base2 细同轴 10BaseT 双绞线 10BaseF MMF 100BaseT 双绞线 100BaseF MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 1000BaseT 双绞线,Page 28,2019/7/31,2.10Base5,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 AUI : 连接件单元接口 总线型拓扑 用于网络骨干连接

16、,最大段长度 500米 每段最多站点数 100,两站点间最小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度 2.5公里,Page 29,2019/7/31,3. 10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m 每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,Page 30,2019/7/31,4. 10BaseT,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星

17、形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,Page 31,2019/7/31,5.10BaseF,使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 星形拓扑结构 最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km,6.10Broad36,使用75电缆连接，拓扑结构为树形 用于宽带LAN,Page 32,2019/7/31,7.IEEE 802.3的体系结构与功能实现,物理层,电缆,连接器,收发器,AUI电缆,网

18、卡,站接口,数据封装/解封（MAC 帧）,链路管理（CSMA/CD协议）,曼彻斯特编码/译码,发送/接收,MAC,LLC,Page 33,2019/7/31,8.Ethernet/802.3操作,每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点 目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧,A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,(1)C 发现总线空闲,(2)C发送帧，目的地址为A,(3)B 忽略该帧,(4)A复制该帧,信号由终端电阻吸收,终端电阻,Page 34,2019/7/31,9.IEEE802.3/Ethernet帧格式,PA： 前同步码

19、- 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 - 10101011 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） Type： 类型。高层协议标识 LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域46字节，则无Pad) FCS： 帧校验序列（CRC-32）,8 6 6 2 46-1500 4字节,FCS,SA,Type,PA,DA,Data,Pad,Ethernet,IEEE 802.3,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节,校验

20、区间,64-1518 字节,Page 35,2019/7/31,帧间隔,在相继发送的两帧之间强制插入9.6ms的间隔 目的：确保其他站点也能占用信道,PA,帧间隔 9.6 ms,帧n,帧n+1,Page 36,2019/7/31,1.交换式以太网,以网络交换机为主干的以太网 拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH） 为何要使用网络交换机？ 以太网共享介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换 总线网络或基于集线器的网络： 网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps； 基

21、于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制， 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,4.4 高速局域网,Page 37,2019/7/31,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如： 8个端口可建立4个并发通信， 总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps 在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。,10Mbps 网络交换机,Page 38,2019/7/31,交

22、换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占10Mbps带宽 (2) 端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,Page 39,2019/7/31,2. 100Mbps 快速以太网,又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。 与10Mbps网络的比较： 拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样； 传输率快10倍； 帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。,3种不同的物理层标准：,MAC子层,100Base

23、FX,100BaseTX,2对5类 UTP,光纤,4对3类 UTP,100BaseT4,Page 40,2019/7/31,快速以太网组成实例,网卡(外置或内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆 集线器（双绞线或光纤接口） 双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100Base TX集线器,100Base TX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,Page 41,2019/7/31,3.FDDI (Fiber Distributed Data Interface),网络由双环构成，可靠性高。 传输速率为100Mbps。

24、 介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。 传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,Page 42,2019/7/31,4.千兆以太网(Gigabit Ethernet，GE),两种标准：802.3z和802.3ab 802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类) 连接距离较短： 1000BaseX:双绞线 - 25米；MMF - 550米；SMF - 3km 1000BaseT: 5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相

25、同； 传输速率比100BaseT快10倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,Page 43,2019/7/31,4.5 LAN的扩展（LAN互连） 网桥,LAN互连的必要性及要解决的问题,LAN互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题 LAN互连的困难： 帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同 LAN互连的实现： 中继器/HUB 在物理层上实现互联 网桥 在数据链路层上实现互联 路由器 在网络层上实现互联,Page 44,2019/7/31,用网桥实现多个网段互连,hub,10Base2 - 细缆Ethernet

26、,10Base5 粗缆Ethernet,10BaseT-双绞线,router,server,hub,网桥,网段3,网段4,10Base5 粗缆Ethernet,网段1,网段2,Page 45,2019/7/31,用网桥进行LAN扩展的缺点： 时延增加 没有流量控制功能，重载时会丢失帧 不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段） 两种类型的网桥： 透明网桥（Transparency Bridge） 源选径网桥（Source Routing Bridge）,Page 46,2019/7/31,1. IEEE802.1透明网桥,特点：由网桥实现路由选择，网桥和路由对站点透明, 网桥采

27、用存储、转发方式，需要有足够缓存 网桥有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的端口-地址表描述了到达每个站点的路由。,连接三个网段的网桥,端口-地址表的结构,Page 47,2019/7/31,选路方法： （参考上图） 假定网桥开机后从端口1收到来自LANx的帧，它就查端口-地址表： . 若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧 . 若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧转发到相应端口所在的LAN . 若目的MAC地址不在表中，则用洪泛法转发，即向除接收到该帧的端口(本例为端口1)之外的其他所有端口广播。,端口-地址表的建立方法： 在转发过程中逆向学习若帧的源地址不在表中，则

28、插入到表中。,Page 48,2019/7/31,网桥工作原理归纳为： 学习源地址，丢弃本网端帧，转发异网端帧，广播未知帧。,注：网络交换机工作原理与网桥类似可看成是一个多端口的高速网桥（工作在链路层上）,透明网桥的优缺点： 优点：容易配置、安装，无需管理 缺点：不能保证最佳路由,Page 49,2019/7/31,2. 源选径网桥,特点：由源站负责路由选择，路由信息放在发送的帧的首部（即把要经过的路径放在帧中，帧按该路径传送）,选路方法：源站向目的站发送探测帧，该帧在扩展的LAN中沿所有可能路由传送；每个探测帧都记录下它所经过的路由；这些探测帧在到达目的站后，再沿各自的路由返回源站；由源站选

29、择其中的最佳路由，作为发送帧中的路由信息。,源选径网桥的优缺点： 优点：网桥功能可以很简单；可以用最佳路由传送。 缺点：源站计算路由费时；主机负担重。,Page 50,2019/7/31,3. 两种网桥的比较,透明网桥,源选径网桥,服务类型,无连接,面向连接,对源站的透明性,完全透明,不透明,配置、管理,自动配置，容易管理,人工方法,选择的路由,次佳,最佳,目的地确定方法,逆向学习,探测帧,故障处理及拓扑变化,网桥负责,主机负责,复杂性和开销,网桥负担,主机负担,Page 51,2019/7/31,作业：P113 1，2，3，4 补充： 1.为什么网桥（交换机）不能隔离广播信息? 2.网桥工作在OSI参考模型的那一层上？ 3.一个小型局域网络，用一台有8个10Mb/s端口和 1个100Mb/s 端口的网络交换机作为核心连接设备。交换机的8个10M端口分别连接8台PC机，100M端口与1台服务器相连。若该网络的流量主要是集中于PC机与服务器之间，PC之间很少进行通信。问：该网络的理论上的最大传输速率为多少？ 4.对于100BaseT标准，其传输速率为多少？采用了什么类型的传输介质？,