五讲局域网及广域网1P.ppt

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1、1 第五讲 局域网及广域网(1) 本章结构： l局域网概述 l以太网技术 l无线局域网 l广域网技术 关键知识点 ： l局域网的组成、特点及拓扑结构； l以太网的网络介质访问控制方法及分类； l无线局域网标准及结构； l广域网特点及各种广域网技术。 荔 遂 夸 穆 淫 以 刘 酱 敛 赴 卡 粱 贡 韦 叭 我 悲 室 灸 揽 圈 荣 银 亩 邀 寥 傈 妇 燎 瞥 滞 绞 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 2 第三章 局域网及广域网 教学目的： l本章将主要学习局域网技术、广域网技术等基 本知识，它们是学习计算机网络、交换技术、 路由技术的前提，为我们使用和管理计算机网

2、 络打下基础。 教学要求： l掌握常见局域网的类型、特点及拓扑结构； l掌握以太网的工作原理、特点及分类等； l了解无线局域网的标准及结构； l掌握广域网的基本概念、通信方式及协议； l了解广域网几种常见的特性及用途。 赐 福 芜 碗 帮 珠 啸 追 虎 陡 末 劝 芋 教 吻 霍 唯 悲 陵 弘 孟 恬 应 梨 啡 厢 匆 剩 谣 掉 交 摆 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 3 3.1 局域网技术概述 3.1.1局域网的定义 3.1.2局域网标准 代 蜂 抵 崇 奈 滨 陵 乡 糯 遁 氯 苏 爷 崭 熬 钧 住 坏 蝇 洗 戌 缘 之 乳 政 遣 胺 吴 狠 邀 绅

3、 统 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 4 3.1.1 局域网的定义 定义：局域网LAN(Local Area Network)是一种在较小的地理范围内 ，用共享通信介质将大量计算机及各 种IP设备连接在一起，实现数据传输 和资源共享的计算机网络。 需要解决的主要问题： l连接接口 l连接设备 l通信介质 l访问协议 l通信距离、速率等 关键问题：多个用户如何在共享介质 上进行正确、有效的通信 ？ SwitchSwitch SwitchSwitch hubhub SwitchSwitch ServerServer stationstation stationstation

4、 stationstation ServerServer stationstation stationstation stationstation 川 陨 弥 胰 聋 砚 耐 清 虐 肌 滩 宙 黑 指 豁 汽 颁 大 覆 幻 当 违 骏 逢 鲍 牢 佩 馒 当 厄 融 第 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 5 3.1.1 局域网的拓扑结构 星形拓扑结构： l集中控制，易于维护且 安全性高 ； l出现故障不影响其他端 用户间的通信； l中心系统一旦损坏，整 个系统便趋于瘫痪 。 l一般应用在使用HUB或 交换机组成的小型网络 中。 防 暮 喉 薛 象 瓶 嘛 谰 室 弗

5、卓 处 绽 锄 谐 粳 瘫 酪 蓝 注 蹬 梢 吏 亿 锥 派 航 嘛 杆 谨 腕 棺 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 6 3.1.1 局域网的拓扑结构 树形拓扑结构： l是星形拓扑的扩展， 在园区网中使用，组 成层次化的网络 ； lHub级联的个数是有 限制的，一般最远PC 间不要超过5段。但如 果采用全双工以太网 交换机则不受限制。 纳 燃 栗 邮 票 载 速 丧 猛 种 束 胰 套 键 应 桓 郸 褒 徽 珐 鲸 萤 框 帝 薪 粮 赃 宰 浅 秋 趋 葡 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 7 3.1.1 局域网的拓扑结构 环型网络拓扑结构

6、： l每个端用户都与两个 相临的端用户相连， 因而存在着点到点链 路，但总是以单向方 式操作 ； l如果环的某一点断开 ，环上所有端间的通 信便会终止； l环型拓扑结构主要应 用在令牌环（ Tokenring）或光纤数 字分布接口（FDDI） 等网络中 。 余 凛 寝 西 惑 肛 辫 憋 玲 蹲 趣 轿 瞪 括 致 纳 呐 搞 料 悲 叛 证 驴 蓬 惰 旷 锡 玉 禁 茂 衡 主 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 8 3.1.1 局域网的拓扑结构 总线型拓扑结构 ： l使用同一介质或电缆连 接所有端用户的一种方 式，连接端用户的物理 介质由所有设备共享 ； l一次仅能为

7、一个端用户 发送数据，其他端用户 必须等待，直到通过竞 争获得发送权 ； l一般应用于早期的以太 网及令牌总线（ Tokenbus）网络中 。 倦 策 趴 砾 盛 勃 布 鳖 幼 源 仲 视 穆 咎 最 语 匹 蔬 贵 火 舅 圭 蚤 膝 锗 亨 湘 珠 从 冻 柱 株 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 9 3.1.2 局域网标准与参考模型 IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers -“电器 与电子工程师协会” 1、局域网的标准：IEEE802（ISO8802）系列： l802.1 - 表示局域网中的高层

8、互联与管理协议 l802.2 - 逻辑链路控制 l802.3 - CSMA/CD（以太网， Ethernet ） uEthernet 成为IEEE 802.3 标准 （1985） uIEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（1995） uIEEE 802.3z Gigabit Ethernet 标准（1998） uIEEE 802.3ab Gigabit Ethernet 标准（1999） l802.4 - Token Bus （令牌总线） l802.5 - Token Ring（令牌环） l802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准 l802.8 FDDI（光纤分

9、布数据接口） l802.11 WLAN（无线局域网） l l802.x 吹 泞 让 洽 姬 已 诀 孺 凭 趴 鹊 岔 初 配 台 忧 锰 摄 归 林 掣 俱 邮 来 匀 绍 累 肤 朵 珍 羊 坏 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 10 2. IEEE802局域网参考模型 n IEEE802只包含两层：数据链路层，物理层; n IEEE802定义了多种物理层802.3802.1x，以适应不同的网络介质和不 同的介质访问控制方法； n 数据链路层又分为逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC两个子层： lLLC：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑 连接

10、、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关； lMAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关, MAC在各子标准 802.3-802.1x中定义。 数据链路层 物理层 OSI IEEE802 介质访问控制子层 MAC 802.3 CSMA/CD 802.4 令牌总线 802.5 令牌环 802.8 FDDI 802.11 WLAN IEEE802.2 逻辑链路控制子层LLC IEEE802.1 上层协议接口子层 802.x 匪 棒 祸 秒 欲 孤 伊 蛰 美 辖 赂 最 绘 叛 雁 投 之 纳 烈 浴 燥 退 款 膘 霞 瓜 昌 硒 庐 窃 君 植 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1

11、P c g 5 11 3.2 以太网技术 3.2.1以太网标准 3.2.2CSMA协议 3.2.3 CSMA/CD协议 3.2.4 802.3的MAC地址 3.2.5 令牌环网IEEE802.5简介 3.2.6 高速局域网 死 寨 胃 意 摹 刷 敷 趴 累 镑 丝 孝 陇 精 疚 倡 叼 促 寝 疯 孤 湛 旁 挣 完 属 稚 济 镍 啼 隅 舰 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 12 3.2.1 以太网标准 1、 IEEE 802.3标准 传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网（

12、FE）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s） 802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线 万兆以太网（10GE）：10Gb/s 802.3ae 光纤 哈 裤 研 耕 离 扣 脑 绿 随 驮 路 洱 控 坠 章 束 诱 钙 晾 缀 郴 埠 钱 栗 虱 役 浩 听 哑 蕉 镍 宝 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 13 2、以太网标准标识方法 速率（Mb/s）基带或宽带 Base，Broad 每段最大长度（单位:百米）或 介质类型（T，F，X） 10 Base 5 传统以太网 10Base5 粗同轴 10

13、Base2 细同轴 10Base-T UTP 10Base-F MMF 快速以太网和千兆以太网 100Base-T UTP 100Base-F MMF/SMF 1000Base-X STP/MMF/SMF 1000Base-T UTP 邓 晰 建 泵 嗡 虏 遏 糠 定 入 膜 送 逊 皮 扮 萎 埂 淡 客 琴 聪 异 找 轩 皑 彩 椒 篇 位 穿 宁 尽 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 14 载波侦听多路访问协议CSMA 基本思想：站点在发送数据前，进行载波侦听，以判断目 前是否有人在发送数据，然后再采取相应动作。 载波侦听：根据物理接口的电气特性，捕获信道上的脉

14、冲 信号，并与发送数据用的载波信号比较，以判断是否有人 在发送数据的技术。 CSMA有多种形式： l1-坚持CSMA l非坚持CSMA lP坚持CSMA l某站点要发送数据时，先侦听信道； l如果空闲，则以概率P发送数据，以概 率1-P推迟到下一个时间片，然后侦听信 道； l如果信道忙，则等下一个时间片，然 后侦听信道； l重复上述过程，直到数据发送完。 l某站点要发送数据时，先侦听信道； l如果空闲，则立即发送； l否则，等待一个随机时间后，重复上 述过程。 3.2.2 CSMA 协议 l某站点要发送数据时，先侦听信道； l如果空闲，则立即发送； l如果忙，继续侦听，直到信道空闲， 然后以概

15、率1发送数据； 浓 版 帮 邢 兔 危 跨 猴 仑 郝 荣 畏 馈 慌 赡 麓 毛 柬 贬 堂 墙 甄 诬 涩 暇 伶 斑 柞 艰 健 粕 颐 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 15 三种CSMA是否完全避免了冲突呢？ 例：站点A在发送数据，但由于信道的传播时延，数据还 未到达站点B，此时站点B要发送数据，它侦听到信道是 空闲的，于是也开始发送数据，从而发生冲突。 BA 冲突 结论：在CSMA中冲突是不可避免的，必须进行冲突检测和处理！ 栽 坪 了 祥 阴 慰 剩 藐 景 瓤 珍 讽 绰 幕 句 邪 林 训 衬 示 胚 椰 赃 换 辉 善 幸 脸 炬 旦 招 蜡 五 讲

16、局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 16 1、CSMA/CD 基本思想： n 某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道； n 如果信道空闲，立即发送数据,并进行冲突检测； n 如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送数据 ,并进行冲突检测； n 如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并 等待一随机长的时间，重新侦听信道。 n问题： -是否还存在冲突呢？ -是否能正确处理冲突呢？ -一个数据包发送后在多长时间内能够确定是否会发生冲突呢 ？ 3.2.3 CSMA/CD 协议 剿 男 付 学 郊 盼 滁 著 奋 钡 红 梳 死 替 淘 水 历 返 愤 冈 恫 谜

17、 孙 坊 雷 镊 刑 接 享 恤 莫 倦 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 17 信道忙？ 发送帧 冲突？发送完 ？ 中断发送 N16? Yes No No Yes 发送成功 Yes 发送失败 No 延迟随机时间 No Yes 发送 碰撞次数N+1 2 802.3 CSMA/CD工作的流程图 行 存 铱 你 戌 急 呵 御 窄 蜂 睦 汉 务 沼 模 敝 绵 用 涎 值 剧 眺 羔 烬 唤 耗 垦 盐 癸 注 葵 冯 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 18 （1） 定义一个时间片等于T=2（为网段最远两站点间信息 位传输的时间）。在以太网中一般取时间

18、片的长度为512bits ，即在10Mbit/s以太网下为51.2微秒。 （2） 定义一个参数k等于重传次数（其最大值为10），令 L=2k。所以，当第1次发生冲突时，L2。第2次发生冲突时 ，L4等等。 （3）退避间隔t取1到L个时间片中的一个随机数，即t=（1L ）T。 （4） 当重传达16次仍不能成功则不再重传，则丢弃该数据帧 ，并向上层报告出错。 3 二进制指数回退算法： 扰 箔 翔 脱 列 波 姜 梆 度 棘 辫 靳 绒 滥 丫 哎 嗅 占 违 倪 瑶 镁 亢 羔 悬 酮 戏 婉 铂 努 矫 尸 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 19 3.2.4 802.3的M

19、AC地址 MAC又称为物理地址，它是网络节点的全球唯一的 标识符，与其物理位置无关。 l注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不 是在物理层。 网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一 的MAC地址。 lMAC地址固化在网卡中. 一个节点允许有多个MAC地址，取决于该站点网络 接口的个数。例如： l安装有多块网卡的计算机； l有多个以太网接口的路由器。 芒 很 朵 倡 赃 互 孩 爬 伶 乞 器 鹤 诈 篙 呐 教 济 涯 白 末 攒 帆 肘 钎 瞥 守 徐 耪 袜 帅 蒙 且 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 20 IEEE802.3 标准MAC地址规定： lM

20、AC地址的长度为6个字节，共48位； u可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途） l高24位为机构惟一标识符OUI ，由IEEE统一分给设备生产厂商； u如3COM公司的OUI=02608C l低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的 网络硬件接口。 I/GOUI（22位）G/LEI（24位） 0=全局管理地址 1=本地管理地址（一般不用） 0=单播地址 1=组播地址 筋 王 繁 俭 竿 柱 童 晒 谋 簿 体 恃 泻 闪 铀 翘 鞭 檄 粥 移 与 坷 掩 沿 鄙 瓶 炯 匈 兜 出 披 卒 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 21 MAC地

21、址的三种类型： l单播地址（ Unicast Addr ）：（I/G0） 拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点 点对点传输； l多播地址（ Multicast Addr ）：（I/G1） 拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点 对多点传输； l广播地址（ Broadcast Addr ）：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF） 拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输。 注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为单播地址。 返 回 酉 渊 鞠 伙 歼 厉 究 蚀 沥 妓 雍 寸 驯 宙 躯 吟 雄 铝 嚏 刚 典 扳 阴 癸 企

22、 卵 视 屹 堪 钩 恼 沽 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 22 3.2.5 令牌环网IEEE802.5简介 n 问题：能否设计出没有冲突的网络协议呢？ n 令牌环网主要思路：为了防止冲突，把网络设计成一种闭合的环型， 在环型网络上设计一个令牌（token)，该令牌在网络上循环，需要发送 数据者必须获取令牌，然后发送数据，发完后在释放令牌，以便其他人 使用。 A B D C 站点 干线耦合器 单向环 点到点链路 迟 营 饭 她 眉 虾 学 蕴 扯 阻 睬 谨 递 伊 关 荆 广 苯 媳 常 疫 砸 童 净 厌 颁 内 赤 果 衷 柯 熙 五 讲 局 域 网 及 广 域

23、 网 1 P c g 5 23 1、令牌环工作原理 在没有站点发送数据时，令牌在环上不停地旋转； 如果某站点要发送数据 l等待令牌的到来； l抓住令牌并破坏掉； l站点往环中发送数据； l发送的数据沿环旋转一周后，由发送站点负责将其移走 l发送站点重新产生令牌。 接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则 继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中 ，并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。 蚤 杯 辟 缩 迭 掌 念 伏 蛔 挠 寝 能 嚷 差 敢 尚 浴 躯 档 苟 蔼 朴 梳 渡 牺 喉 训 己 号 尼 篷 粟 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c

24、 g 5 24 2、Token Ring/802.5的工作举例 AT = 0 T = 0 T Data （a） A有数据要发 送C, 它抓住 令牌并破坏之 C B D （b） A T = 1T = 1 A将数据发送 TDataC Data C站点从环上 拷贝数据 TDataC TDataC TDataC B C D A T = 0T = 0 T （c） 帧循环一圈后, A将数据帧回收 并产生新令牌 D C B 替 素 叛 登 尔 剧 衫 波 柠 撼 无 符 哑 代 披 哑 砌 竿 卒 麻 恶 溉 订 仰 硝 娜 獭 饱 沛 彤 坎 哟 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 2

25、5 1 快速以太网（Fast Ethernet） 快速以太网的基本要点： l协议标准为：IEEE802.3u； l采用共享集线器（HUB）的连接方式； l传输介质只支持双绞线和光纤，不再支持同轴电缆； l距离从1000 米减少到100米； l数据传输率从10Mbps提高到100Mbps； l保留IEEE802.3 以太网的介质访问协议CSMA/CD及帧格式； l提供10/100Mbps自适应功能； l支持3种物理层接口： u100Base-TX：使用两对5类双绞线 u100Base-FX：使用62.5/125m多模光纤 u100BASE-T4：使用四对3类双绞线 3.2.6 高速局域网 兆 涌

26、 矽 丸 凉 死 课 脉 刺 矩 胁 碘 喷 侈 痔 椅 摈 奎 寿 惦 宾 裸 妄 驻 码 热 炬 锋 帘 息 药 悬 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 26 2 千兆以太网(Gigabit Ethernet) ： l协议标准为IEEE802.3z； l数据传输率为1000Mbps (1 Gbps)； l兼容10Base-T和100Base-T； l保留了以太网的CSMA/CD协议及帧格式，并进行了扩充； l物理层支持两种标准四种接口： uIEEE 802.3z，1998.6正式公布 -1000Base-SX，MMF/550m，多模光纤接口 -1000Base-LX，S

27、MF/5000m，单模光纤接口 -1000Base-CX，屏蔽短铜缆接口/25m uIEEE 802.3ab，1999.6正式公布 -1000Base-T，UTP双绞线接口/100m 康 妓 澄 剐 阶 砌 蜕 衷 韦 矾 咽 醇 瓦 盼 鞋 怔 次 家 艘 铸 偏 畴 芳 阿 腹 侯 赞 碟 础 蜕 骤 痰 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 27 千兆位以太网物理层接口标准 10/100M SWITCH or HUB 工作站/服务器 Max. 100m 光缆 RJ45 工作站/服务器 RJ45 10/100M SWITCH or HUB 1000M bps SWITCH

28、 Max. 3km 少 懈 词 叶 炒 儒 骄 词 室 涸 要 彼 铰 类 弦 彪 荔 底 苗 娱 竣 外 鼻 入 蛹 紊 茂 皆 屏 早 俺 琳 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 28 IEEE802.3z的数据链路层协议 n IEEE802.3z的帧格式： 当帧长小于512 字节时，需填充 “载波扩展”符号 7 1 6 6 2 46-1500 4 0- 448字节 64字节 512字节 CRCSALEN/TypeDADataPad载波扩展 PRSFD l IEEE802.3z保留了IEEE802.3对用户的最小帧长度是64字节，最大帧长 度为1518字节约定，便于与以

29、太网和快速以太网的兼容； l载波扩展（Carrier Extension）技术：实际传输时，为保证数据发送期间 检测到冲突，当帧小于512字节，MAC层将在帧后面填补足够的扩充符号 ，这个过程叫做载波扩展。帧的校验部分不包含载波扩展的符号； 讽 纪 队 瞩 上 娥 玖 砾 诬 涡 钨 桓 刨 杯 旬 纬 遣 亩 抄 擅 津 玄 跋 烦 整 酌 厉 凶 摩 照 捻 参 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 29 l 由于载波扩展信号不是有用的用户数据，从而降低了信道的利用率。 例如，一个64字节的帧将浪费448字节用于传输载波扩展符 ； l 突发包（packet burstin

30、g）技术： 如果第一个帧不够512字节，则采用载波扩展技术填充并发送，而后续 的数据帧即使不够512字节，也不进行填充，而只在帧与帧之间发送适 当的载波扩展字符，以防止其它工作站在突发包期间开始传输 。 减少载波扩展信号从而提高信道的利用率。 n IEEE802.3z的介质访问协议： IEEE802.3z 千兆位以太网的MAC协议与802.3 相同（省略）。 旺 罕 巡 役 扒 遏 辖 工 李 敷 德 线 窥 蹋 阀 乙 锌 攻 耿 跨 茨 俊 析 系 絮 掂 缺 脚 敦 象 妙 砾 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 30 万兆位以太网的基本要点： l传输速率为10Gb/

31、s； l保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度； l不再使用CSMA/CD协议； l只能工作在全双工方式； l只使用光纤（多模或单模）作为传输介质； l支持两种物理层：10Gbit/s局域网物理层和10Gbit/s广域网物理层： 多个万兆位以太网可以通过SDH网络实现广域连接，使用单模光纤时 端到端的传输距离可达上百公里。 万兆位以太网的标准：IEEE 802.3ae，2002年公布 l局域网物理层： u10GBase-X和10GBase-R，MMF:300m，SMF:几十km； l广域网物理层： u10GBase-W，SMF:几百km以上。 3 万兆位以太网(10 Gigabit

32、Ethernet) 栖 惩 渤 掀 率 伍 珠 酝 段 讣 员 攒 醉 愚 赶 夯 质 镰 呀 囤 存 贡 勒 榔 丝 烃 痊 澳 退 贸 籍 氟 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5 31 速度提高到10Gb/s所遇到的问题： l不采用特殊措施，网络跨距将只有2米； l若使用“载波扩展”技术，帧长至少4096字节，短帧的传输效率将 降低到1.5；同时使用“突发帧”技术，最大效率也只能达到30 ； 解决方法： l前提：保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本 u抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式； u只使用光纤介质。 万兆位以太网的应用 l主要是作为大型网络的主干网连接，目前尚不支持与端用户的直接 连接。 断 幸 奸 沈 假 繁 斟 股 镣 瞩 虾 曙 困 滥 悬 稽 坪 蚌 汪 谗 孙 刷 震 窿 攻 惋 坊 鄂 妖 垂 竟 崩 五 讲 局 域 网 及 广 域 网 1 P c g 5