局域网与城域网.docx
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局域网与城域网
第一节局域网概述3
第二节局域网体系结构3
第三节IEEE802.3标准与以太网5
3.1以太网的媒体访问控制方法5
3.1.1载波监听多路访问(CSMA)5
3.1.2冲突检测6
3.1.3二进制指数退避算法6
3.2以太网的帧格式7
3.3传统以太网(10Mbps)7
3.3.1IEEE802.310Mbps物理层媒体选项7
3.3.2以太网的5-4-3规则7
3.4快速以太网8
3.4.1快速以太网标准8
3.5千兆以太网8
3.5.1千兆以太网标准8
3.5.2帧扩展8
3.5.3帧突发9
3.6全双工以太网9
3.7万兆以太网9
第四节令牌环网与IEEE802.5标准9
4.1令牌环的组成9
4.2令牌环的工作原理9
4.3令牌环的特点10
4.4令牌环的帧格式10
4.5令牌环的维护11
4.6FDDI的概述11
4.7FDDI的组成12
4.8FDDI的帧格式:
12
第五节令牌总线网与IEEE802.4标准13
第六节无线局域网13
6.1IEEE802.11标准协议结构13
6.2中继与漫游13
6.3CSMA/CA14
6.4802.11标准14
第八节网桥15
8.1网桥的概念15
8.2网桥的工作原理16
8.3网桥的功能:
缓存,过滤,转发,学习,扩散16
8.4网桥的分类16
8.5生成树协议16
8.6交换机与网桥的比较16
第九节虚拟局域网(VLAN)16
9.1VLAN的优点16
9.2VLAN的划分方法16
9.3VLAN之间的通信方式16
9.4虚拟局域网标准17
第十节真题讲解17
第一节局域网概述
(1)局域网的定义:
局域网为在较小区域内互联各种通信设备的一种通信网络。
(2)局域网的最大特点:
为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限;
(3)局域网的拓扑结构:
星形、总线型、树形、环形(图)
(4)局域网的传输媒体
双绞线:
分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)
50欧同轴电缆:
又称为基带同轴电缆
75欧同轴电缆:
又称为宽带同轴电缆
光纤:
分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤与多模光纤相比具有高速度、长距离、细芯线、高成本等特点。
无线电波:
省略。
第二节局域网体系结构
(1)OSI参考模型和IEEE802参考模型的对应关系:
(2)802项目本身的结构关系:
(3)逻辑链路控制子层(LogicalLinkControl,即LLC)
LLC协议实际上是基于HDLC(Hight-levelDataLinkControl)协议的
●LLCPDU与MACPDU的关系
LLC层从收到上层传下来的数据包后,将数据包作为LLC的信息,前面加上LLC首部后下传到MAC层,MAC层将收到的LLC帧封装在MAC的首、尾部的中间。
即:
●LLC的帧格式:
根据控制字段的不同,分为信息帧(I帧),管理帧(S帧)和无编号帧(U帧)三种
信息帧用于传送用户的数据,N(S)中存放本帧的编号,而N(R)中存放希望收到的下一帧的编号,即确认该编号之前的帧都已收到。
管理帧用来管理和控制链路操作。
其中,管理类型共有2位,有四种不同的编码,它们分别表示:
00-接收准备好,例如1000000000000011,由主站发出的该管理帧表示已收到从站发来的编号为2的帧,希望从站发来编号为3的帧。
01-拒绝,它将要求发送方对从编号N(R)开始的信息帧重新发送。
1001000000000011表示的含义是:
10-接收未就绪,表示编号小于N(R)的帧已被收到,但目前正处于忙碌状态,尚未准备好接收编号为N(R)的信息帧,这可用来对通信流量进行控制。
1010000000000011表示的含义是:
11-选择拒绝,它要求发送方重发编号为N(R)的单个信息帧。
1011000000000011的含义是:
无编号帧因其帧控制字段中不含编号N(S)或N(R)而得名,它用于提供各种附加的链路控制命令和相应的功能。
●LLC提供的服务有三种:
a)无确认无连接的服务:
这实际上是数据报类型的服务
b)连接方式的服务:
实际上它是虚电路类型的服务,过程有建立连接、数据传送和结束连接。
c)有确认无连接的服务:
(4)媒体访问控制子层(MediaAccessControl,即MAC)
Mac层需要解决的是确定媒体访问的控制方法。
“由谁控制”(控制权):
集中式控制和分布式控制
“怎么控制”(控制方式):
同步控制和异步控制。
同步控制是静态地将信道分成N份分配给N个站点,以达到每个站点都有传输通道,又互不干扰的目的。
异步控制则是动态地分配信道,网络带宽是根据站点的请求来分配的。
异步控制可分为三种方式:
轮询:
所有的站按照一定的逻辑顺序传递发送权限,每个工作站轮流得到发送权限。
预约:
将信道的使用时间划分成时间槽,若某工作站需要发送数据,须提前预约所需要占用的时间槽。
适用于需要长时间连续传输数据的通信方式。
竞争:
各个工作站通过竞争获取发送权限
MAC方式
总线拓扑
环拓扑
交换LAN(星型)
时间片轮转
令牌总线【IEEE802.4】
询问(IEEE802.11)
令牌环(IEEE802.5
FDDI)
请求/优先级(IEEE802.12)
预约
DQDB(IEEE802.6)
竞争
CSMA/CD(IEEE802.3)
CSMA(IEEE802.11)
CSMA/CD(IEEE802.3)
(5)网卡
网卡又称为网络适配器(Adapter)或是网络接口卡(NIC)
网卡的重要功能:
进行串\并转换
对数据进行缓存
在计算机的操作系统安装设备驱动程序
实现以太网协议
第三节IEEE802.3标准与以太网
以太网是目前应用最为广泛的一种局域网技术。
1980年由DEC、Inter和Xerox三家公司合作提出了10Mbps的以太网规范DIXEthernetV1。
1981年,DIXEthernetV2.0公布并成为世界上第一个局域网产品的规范。
人们常把IEEE802.3局域网称为以太网,但从严格意义来说,它们并不是等同的。
IEEE802.3是在DIXEthernetV2.0的基础上制定的,他们之间仅有一小点的不同。
以太网采用无连接无确认的工作方式。
3.1以太网的媒体访问控制方法
3.1.1载波监听多路访问(CSMA)
传统以太网采用曼彻斯特编码,通过检测媒体的电平是否出现跳变来确定媒体上是否有数据帧。
CSMA有三种类型:
1.非坚持CSMA:
a)若媒体空闲就传输;否则转到b)
b)若媒体忙,等待一段随机的重传延迟时间,重复a)
2.坚持CSMA
a)若媒体空闲就传输;否则转到b)
b)若媒体忙则继续监听,直到检测到信道空闲然后立即传输
c)如果有冲突,则等待一段随机的时间后重复a)
3.p-坚持CSMA
a)若媒体空闲就传输,以概率p传输,以概率(1-p)延迟一个时间单位,该时间单位通常等于最大的传播延迟的两倍
b)若媒体忙则继续监听,直到检测到信道空闲然后重复a)
c)若传输延迟了一个时间单位,则重复b)
传统局域网采用的媒体访问控制方法是1-坚持CSMA
3.1.2冲突检测
冲突检测的过程:
冲突槽时间的计算:
Slot=2s/v+2tphy+2ntr
其中,s为网中相距最远连个站点之间的距离,v为信号的传播速度,tphy为主机物理层的时延,tr为中继器的时延,n为经过的中继器个数
最小帧长的计算:
L=Slot*R其中R为传输速率
【例题】
以太网控制策略中有三种监听算法,其中一种是“一旦介质空闲就发送数据,如果介质忙,继续监听,直到介质空闲后立即发送数据”,这种算法称为
(1)监听算法。
这种算法的主要特点是
(2)。
CSMA/CD协议具有冲突检测功能,网络中的站点一旦检测到冲突,就会立即停止发送,并发阻塞码,其他站点都会(3)。
如果基带总线的段长为d=1000m,中间没有中继器,数据速率为R=10Mbps,信号传播速率为v=200m/us,为了保证在发送期间能够检测到冲突,则该网络上的最小帧长应为(4)bit;对于具有同样参数的宽带总线网络,最小帧长应为(5)bit.
(1)A.1-坚持型B.p-坚持型C.非坚持型D.0-坚持型
(2)A.介质利用率低,但冲突概率低B.介质利用率高,但冲突概率也高
C.介质利用率低,且无法避免冲突D.介质利用率高,且可以有效避免冲突
(3)A.处于待发送状态B.继续竞争发送权C.接收到阻塞信号D.继续发送数据
(4)A.50B.100C.150D.200
(5)A.50B.100C.150D.200
3.1.3二进制指数退避算法
当冲突发生后,以太网将使用二进制指数退避算法来进行冲突退避。
其算法描述如下:
a)冲突发生后,发送站点停止发送数据,并退避等待一个随机时间。
b)定义参数k,k等于重传次数,且k不超过10,即k=min[重传次数,10]。
c)从整数集合[0,1,…,(2k-1)]中随机地取出一个数,记为n,重传所需的退避时间就是n倍的冲突槽时间。
d)若重传次数达到16次,则丢弃该帧。
二进制指数退避算法可以动态适应试图发送的站点数的变动。
采用二进制指数退避的1-坚持方式的好处在于它在不同的负载时信道利用率都比较合理。
【例题】(2005年下半年试题)
以太网中如果发生介质访问冲突,按照二进制指数退避算法决定下依次重发的时间,使用二进制指数退避算法的理由是
(1)
(1)A.这种算法简单B.这种算法执行速度快C.这种算法考虑了网络负载对冲突的影响D.这种算法与网络的规模大小无关
3.2以太网的帧格式
以太网的地址长度为6B(48bit)。
以太网上的所有主机都有一个唯一的以太网地址。
以太网地址被烧制在网卡的ROM中,通常的表示格式为BB:
BB:
BB:
BB:
BB:
BB。
所有位为1的以太网地址是广播地址,即目的地址为广播地址的帧将被以太网上的所有站点接收。
数据帧的发送数据帧的接收
3.3传统以太网(10Mbps)
3.3.1IEEE802.310Mbps物理层媒体选项
名称
传输介质
编码技术
跨距
拓扑
每段站点数
最大分段数
10Base2
细同轴电缆
基带
(曼彻斯特码)
185
总线型
30
5
10Base5
粗同轴电缆
基带
(曼彻斯特码)
500
总线型
100
5
10BaseT
非屏蔽双绞线
基带
(曼彻斯特码)
100
星形
1024
5
10BaseF
62.5/125光纤
曼彻斯特码/on-off
500
星形
33
2
3.3.2以太网的5-4-3规则
在10Mbps以太网中一个网络最多只能分5个网段,这5个网段由4个中继器连接,最多只能有三个网段配备主机。
3.4快速以太网
3.4.1快速以太网标准
快速以太网的MAC子层仍使用CSMA/CD媒体访问控制协议,只是重新定义了物理层标准。
100BaseT媒体选项
名称
传输介质
信号技术
最大段长
网络跨度
100BaseTx
2对5类UTP或2对STP
4B5B、MLT-3
100
200
100BaseFx
1对光纤
4B5B、NRZI
100
400
100BaseT2
2对3类UTP
8B6T、NRZ
100
200
100BaseT4
4对3类UTP
PAM5
100
200
2)快速以太网的跨距
快速以太网的传输速率比传统以太网快了10倍,而最小帧长(512bit,即64字节)保持不变,因此快速以太网的跨距只有传统(10Mbps)以太网的十分之一。
【例题】(2004年上半年试题)
局域网中使用的传输介质有双绞线\同轴电缆和光纤等.10BaseT采用3类UTP,规定从收发器到集线器的距离不超过
(1)m。
100BaseTX把数据速率提高了10倍,同时网络的覆盖范围
(2)。
假设tPHY表示工作站的物理层时延,C表示光速,S表示网段长度,tR表示中继器的时延,在10Base5最大配置的情况下,冲突时槽等于(3)。
光纤分为单模光纤和多模光纤,与多模光纤相比,单模光纤的主要特点是(4),为了充分利用其容量,可以使用(5)技术同时传输多路信号
(1)A.100B.185C.300D.1000
(2)A.保持不变B.缩小了C.扩大了D.没有限制
(3)A.S/0.7C+2tPHY+8tRB.2S/0.7C+2tPHY+8tR
C.2S/0.7C+tPHY+8tRD.2S/0.7C+2tPHY+4tR
(4)A.高速度、短距离、高成本、宽芯线B.高速度、长距离、低成本、宽芯线
C.高速度、短距离、低成本、细芯线D.高速度、长距离、高成本、细芯线
(5)A.TDMB.FDMC.WDMD.ATDM
3.5千兆以太网
3.5.1千兆以太网标准
千兆以太网主要有1000BaseLx、1000BaseCX、1000BaseSx、1000BaseT四种。
1000BaseX物理媒体选项
编码方案
名称
传输介质
工作方式
最大段长
8B/10B
1000BaseLx
62.5um、50um多模光纤
半双工
316m
全双工
550m
10um单模光纤
全双工
5Km
1000BaseSx
62.5um多模光纤
半双工
275m
全双工
275m
50um多模光纤
半双工
316m
全双工
550m
1000BaseCx
短程铜线
25m
4D/PAM5
1000BaseT
4对5类UTP
100m
千兆以太网允许半双工和全双工两种方式工作
在全双工的方式下不受CSMA/CD的限制,而在半双工的方式下需要用到帧扩展和帧突发的技术。
3.5.2帧扩展
如果MAC帧长不足512字节(4096bit),填充特殊字符在帧的后面。
3.5.3帧突发
当很多短帧要发送,第一个短帧采用帧扩展进行填充,随后的一些短帧可接着发送,形成一串分组的突发,直到达到1500字节或稍多一些(1518)为止。
3.6全双工以太网
全双工以太网和传统以太网的区别在于:
端口与端口之间有两对线可以同时发送和接收数据帧,不会发生帧冲突,不再需要进行冲突检测。
全双工以太网的三个要求:
●物理媒体本身必须能够无干扰地同时发送和接收数据
●在一个全双工以太网只能包含一个点到点的连接,即只能有两个站点(注意是点到点,而不是端到端)
●网络结构必须能够使用并且能被配置为全双工工作模式
3.7万兆以太网
●使用光纤进行通信,只支持全双工数据传输
●两种物理层:
一种是与传统以太网连接,速率为10Gbps的局域网物理层,一种是与SONET连接,速率为9.58464Gbps的广域网物理层。
●万兆以太网物理层支持采用8B/10B、64B/66B两种信号编码方式
【例题】(2005年下半年试题)
IEEE802.3ae10Gbps以太网标准支持的工
作模式是
(1).
(1)A.全双工B.半双工C.单工D.全双工和半双工
第四节令牌环网与IEEE802.5标准
4.1令牌环的组成
令牌环中的环并不是真正的广播介质,而是单个的点到点的连接组合在一起形成了一个环。
令牌环的每一站通过电缆与干线耦合器相连。
干线耦合器有两种状态:
收听状态和发送状态。
干线耦合器处于收听状态时,其任务是:
转发从环路输入的比特流(比特流在经过中继器转发时会进行整形和放大)
不停地监视两种特殊的比特组合:
本站地址和令牌。
4.2令牌环的工作原理
为了维持环网有效地工作,必须限定下列条件:
令牌代表发送的权利,当环空闲时,令牌在环上循环传送;
一个等待发送的站点必须接收到令牌时才可以发出数据帧;
在数据帧经过时,目标站可以拷贝一份;
数据帧沿着环循环一周,由原发送站回收;
如果环的比特长度小于帧长,则发送站发完一帧后就可以发出令牌,否则要等到被发送的帧的前沿返回给站后,才可以发出令牌。
最后一条限制是为了维持任何时候环上只有一个帧在发送,这样可以简化故障的处理。
为了改善令牌环的可靠性和可维护性,引入了线路中心(见右图)。
当站点下线或是出现故障的时候,可通过释放旁路中继器将站点旁路。
以保证了环网的正常运行。
4.3令牌环的特点
令牌环能实现广播功能
令牌环可实现自动应答
令牌环可通过优先级调度算法来调整结点访问介质的优先级
令牌环在重载时可以高效率地工作。
4.4令牌环的帧格式
802.5标准提供了多种数据速率和多种传输媒体。
802.5LAN采用差分曼彻斯特编码,4Mbps的802.5LAN的最大帧长为4550字节,而16Mbps的最达帧长为18200字节。
SD=JK0JK000,其中J为高电平,K为低电平,SD表示令牌帧或是数据帧的开始
AC=PPPTMRRR,PPP三位表示令牌优先级,RRR表示预约优先级。
T是令牌标志位,T=0表示本帧为令牌帧,T=1表示本帧为数据帧或控制帧。
M为监控位,从源站发出时M=0,经过监控站时将M置为1,当该帧再次回到
监控站时,监控站将它视为无主帧进行回收。
FC=FFZZZZZZ为帧控制段,用于表示帧的类型,FF=00表示该帧为MAC帧,FF=01时表示该帧为LLC帧。
FSC为校验字段,其校验范围为从FC字段到LLC字段。
ED=JK1JK1IE,其中I=0表示此帧是最后一帧,I=1表示此帧是传送的多个数据帧的中间某一帧,E=0表示没有出错(从源站发送出来是为0),E=1表示该帧有错误(传输过程中任意站检测到有错,可立即将E置为1)。
FS=ACrrACrr为帧状态字段,源站发送时将AC置为00,目标站收到该帧时发现有错时置AC为10,若正确接收了,则置AC为11。
4.5令牌环的维护
根据令牌环的特点可知,一旦令牌丢失,环网便不能再运行;双重环也会打乱环网的运行。
所以令牌环中需要有一个站点作为监控站点完成令牌的维护功能。
监控站的主要功能:
保证环的最小延时
保证令牌帧不丢失
清除无主帧
清除错误帧
【例题】2002年试题
在IEEE802.5令牌环网中,时延是由
(1)决定的。
要保证环网的正常运行,整个环网的时延必须大于
(2)。
设有一个令牌环网,长度为400m,环上有28个站,数据速率为4Mbps,信号传播速度为200m/us,每个站点引入1位时延,则环网的最大和最小时延分别是(3)位和(4)位。
(1)A.站点时延和信号传播时延B.令牌帧长短和数据帧长短C.电缆长度和站点个数D.数据速率和信号传播速度
(2)A.数据帧长B.令牌帧长C.信号传播时延D.站点个数
(3)A.1B.8C.20D.24
(4)A.9B.28C.36D.48
4.6FDDI的概述
光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributedDataInterface)是一种采用令牌传递访问控制协议、环形拓扑结构和光纤介质的100Mb/s高速局域网。
因此,FDDI可以看作是一种高速令牌环网。
FDDI的环形链路采用双环结构,主环进行正常的数据传输,次环为备用环,一旦主环链路发生故障,则备用环的相应链路就代行其工作,这样就使得FDDI具有较强的容错能力。
a)正常情况 b)链路出故障c)站点出故障
FDDI采用光纤介质和环形结构,这使得网络覆盖区域可达100km,可连接500多个节点,节点间的最大距离为2km。
FDDI和TokenRing一样都采用令牌访问控制协议,即只有获得令牌的节点才有权发送数据。
但FDDI有两点与TokenRing不同:
一是FDDI规定发送节点在获得令牌后,将令牌取下,独立地发送数据帧,而TokenRing则是将数据插在“忙”令牌后发送;二是FDDI采用多令牌机制,允许发送节点在发送完数据帧后,立即产生一个新令牌帧发送到环上,以提高介质的利用率。
环网上的监测功能将分布于环上的各个节点之中。
任何一个节点一旦发现异常情况(例如,丢失令牌等),都有权要求环网重新初始化。
这时,环网就会自动进入恢复过程。
FDDI采用一种新的编码技术(称为4B/5B编码),在这种编码技术中,每次对4位数据进行编码,每4位数据编码成5位符号,用光的存在和不存在表示5位符号中每一位是1还是0,这种编码技术使得效率提高到80%。
为了得到同步信号,采用两极编码的方法,先按4B/5B编码,然后再按反相的不归零制(NRZI)方式进行编码。
FDDl的时钟方案
FDDI标准规定使用分布式时钟方案,即在每个站点都配有独立的时钟和弹性缓冲器。
进入站点缓冲器的数据时钟是按照输人信号的时钟确定的,而从缓冲器输出的信号时钟则根据站点的时钟确定,这种方案使环路中中继器的数目不受时钟偏移因素的限制。
4.7FDDI的组成
①双连接站(DAS)。
DAS连接到双环网络的两个环上,具有两个光收发器,能够在两个环上接收信号并进行放大。
DAS有两个光连接线路接口:
一个是A接口,包含了主环的输入和次环的输出;另一个是B接口,包含了主环的输出和次环的输入。
当其中的一个光收发器失灵或一条物理链路发生故障时,DAS仍可正常工作,具有较高的可靠性。
②单连接站(SAS)。
SAS只有一个光收发器,只能连接到一个环路上。
SAS的物理接口称为从口,必须通过集中器与双环网络连接。
③集中器(Concentrator)。
集中器本身可以是DAS(连接到双环上),也可以是SAS(连接到另一个集中器上)。
集中器提供的附加口称为主口,用于将SAS连接到双环网络上。
集中器接收来自主环上的数据;然后依次转发到主口所连接的设备上;在最后一个主口收到数据后,再转发到主环上。
当集中器所连接的设备发生故障或主口空闲时,有关链路在其内部被旁路,使环网仍能保持连接。
④网络互连设备。
FDDI网络互连设备主要有FDDI网桥(Bridge)和FDDI路由器(Router)。
网桥主要用于FDDI网络与局域网的互连;路由器主要用于FDDI网络与广域网的互连。
然而,很多FDDI互连产品同时兼有网桥和路由器的功能。
4.8FDDI的帧格式:
【例题】(2004年上半年试题)
FDDI的基本编码方法是
(1)。
在此基础上采用
(2)编码以获得足够多的同步信息,这样使编码效率提高到(3)。
对于100Mbps的光纤网,这意味着只需要125MHz的器件就可以实现。
为了消除环网中的时钟偏移,FDDI使用了(4)方案,并规定进入站点缓冲器的数据时钟按照输入信号的时钟确定,从缓冲器输出的时钟信号由(5)确定。
(1)A.ManchesterB.差分ManchesterC.NRZD.NRZ-I
(2)A.4B/5BB.5B/6