第6章 计算机局域网络.docx

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第6章计算机局域网络

第6章计算机局域网络

▪本章主要内容

•局域网（LAN）概述

•介质访问控制方法

•传统以太网（Ethernet）

•局域网扩展

•*高速局域网

•*无线局域网（WLAN）

6.1局域网（LAN）概述

▪1.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

▪10Mb/s～1000Mb/s

•低误码率

▪10-8～10-11

•拓扑：

总线型、星形、环形

•介质：

UTP、Fiber、COAX

•私有性：

自建、自管、自用

▪2.LAN的技术特征

•拓扑结构（逻辑、物理）

▪总线型、星形、环形、树形

•介质访问方法

▪CSMA/CD、Token-passing

•信号传输形式

▪基带、宽带

3.局域网体系结构

▪局域网的标准：

IEEE802（ISO8802）

•IEEE802是一个标准系列：

IEEE802,IEEE802.1～IEEE802.14

▪其体系结构只包含了两个层次：

数据链路层、物理层

•数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

IEEE802系列中的主要标准

▪802.2–逻辑链路控制

▪802.3–CSMA/CD（以太网）

▪802.4–TokenBus（令牌总线）

▪802.5–TokenRing（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–WLAN（无线局域网）

IEEE802体系结构示意图

▪数据链路层在不同的子标准中定义

•分别对应于LLC子层和MAC子层

局域网的物理层

▪功能：

•位流的传输；

•同步前序的产生与识别；

•信号编码和译码。

▪IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。

▪两个接口：

•连接单元接口（AUI）－可选，仅用于粗同轴电缆

•介质相关接口（MDI）

▪屏蔽不同介质的特性，使之不影响MAC子层的操作

局域网的数据链路层

▪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，以适应不同的传输介质。

•解决共享信道（如总线）的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。

▪LLC：

与介质、拓扑无关；

▪MAC：

与介质、拓扑相关。

▪局域网的数据链路层的特点：

•局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；

•支持介质访问控制功能；

•提供某些网络层的功能，如网络服务访问点（SAP）、多路复用、流量控制、差错控制……

▪MAC子层功能：

实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。

▪LLC子层功能：

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，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。

•对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。

LLC的帧结构

局域网的网络层和高层

6.2介质访问控制方法

局域网中的介质访问控制方法

1.CSMA/CD

▪多个站点如何安全地使用共享信道？

•最简单的思路：

发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。

▪若信道空闲，是否可以立即发送？

•若有多个站点都在等待发送，必然冲突！

•解决：

等待一段随机时间后再发（降低了冲突概率）

▪若信道忙，如何处理？

•继续监听：

▪等到信道空闲后立即发送

▪等到信道空闲后等待随机时间后再发送

•等待一段随机时间后再重新检测信道

•一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？

▪以上方法均无法处理！

CSMA/CD操作的流程图

CSMA/CD协议的时间槽

▪时间槽——能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）

▪若两站点之间传播时延为a，则时间槽＝2a。

如下图所示：

▪时间槽的意义：

•一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突

•时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有密切的关系

▪以太网中，时间槽＝51.2µs

•传输速率为10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。

•由此可知：

▪1.冲突只可能在一帧的前64字节内发生；

▪2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；

•所以，以太网规定的最小帧长度为64字节

▪3.长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。

•想一想：

什么情况下会产生碎片帧？

与时间槽相关的几个网络参数

▪采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系：

Fmin＝kSRk:

系数

•可以看出：

▪最小帧长度不变时，传输速率与网络跨距成反比；

▪传输率固定时，网络跨距与最小帧长度成正比；

▪网络跨距固定时，传输率与最小帧长度成正比。

•非常重要的结论！

退避时间的确定（退避算法）

▪CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法

▪算法如下：

•1.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；

•2.k=min（重传次数，10）；

•3.r=在[0,1,…,（2k-1）]中随机取一个数；

•4.退避时间=rT。

▪最大重传次数限定为16，若发送16次仍不成功，则发送失败。

CSMA/CD的优缺点

▪控制简单，易于实现；

▪网络负载轻（40％以内）时，有较好的性能

•延迟较小

▪网络负载重时，性能急剧下降

•冲突数量增加

▪各工作站需要频繁执行重发操作

▪大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加

•网络延迟增大

•延迟时间不可预计（非确定性延迟）

2.令牌传递（TokenPassing）

TokenRing/802.5的操作

IEEE802.5的帧结构

令牌环网的实际结构——星形环路

6.3传统以太网

▪以太网的产生与发展

•20世纪70年代中期由施乐公司（BobMetcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）

▪最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的

•经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）

▪DIXV1（1980）、DIXV2（1982）－EthernetII

▪特征：

基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆

•1985年被采纳为IEEE802.3，支持多种传输媒体。

▪“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范”

•EthernetII和IEEE802.3二者区别很小

▪仅是帧格式和支持的传输介质略有不同

•目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展…

MAC地址

▪又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。

•注意：

MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。

▪网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。

•MAC地址大多固化在网络站点的硬件中

▪一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。

例如

•安装有多块网卡的计算机；

•有多个以太网接口的路由器。

▪网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。

▪IEEE802.3标准规定：

•MAC地址的长度为6个字节，共48位；

▪可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途）

•高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商；

▪如3COM公司的OUI=02608C

•低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给所生产的每一块网卡或设备的网络接口。

▪MAC地址的三种类型：

•单播地址：

（I/G＝0）

▪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

•多播地址：

（I/G＝1）

▪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

•广播地址：

（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。

同轴电缆以太网

双绞线以太网（10Base-T）

▪双绞线的连接标准

•在以太网的标准中，10Mb/s与100Mb/s双绞线系统采用相同的线序：

1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。

色标Pin#Signal

白橙1TD+

橙2TD-

白绿3RD+

蓝4不用

白蓝5不用

绿6RD-

白棕7不用

棕8不用

▪当两个HUB连接时，要使用交叉连接方法。

•两台微机直接连接时，也可参考此接法。

光纤以太网

全双工以太网

▪收、发使用不同的物理信道

▪不再使用CSMA/CD机制，因此传输距离不受时间槽的限制；

•但要受到信号衰减的影响

▪全双工操作的条件：

•使用双绞线或光纤；

•链路两端的设备都必须支持全双工操作；

▪支持全双工的设备包括全双工网卡、网络交换机。

6.4局域网扩展

▪什么情况下需要扩展？

•网络范围扩大

•更多的站点加入网络

•多个独立的局域网进行互联

▪如何扩展？

•主要在三个层次上

▪物理层

▪数据链路层

▪网络层

▪在物理层上进行局域网扩展

•设备：

▪总线网：

中继器

▪星形/环形网：

集线器

•特点：

▪一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个网段；

▪扩展后的网络仍是一个冲突域。

•优缺点：

▪简单、成本低

▪网络规模不能太大

•站点数量：

冲突随站点数量的增多而变得越来越严重

•地域范围：

时间槽的限制

▪只能互联相同类型的网络

▪在数据链路层上进行局域网扩展

•设备：

▪网桥、交换机

•特点：

▪一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；

▪扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；

▪扩展后的网络仍是一个广播域。

•优缺点：

▪冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；

▪地域范围不再受时间槽的限制；

•远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上

▪转发速度有所降低；

▪不能隔离广播帧。

在链路层上扩展局域网

▪在网络层上进行局域网扩展

•设备：

▪路由器

•特点：

▪一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；

▪扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。

•优缺点：

▪隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；

▪地域范围可以任意扩展；

▪能根据最佳路由转发分组；

▪可以互联不同类型的网络；

▪转发速度低，成本较高，维护复杂。

在网络层上扩展局域网

6.5高速局域网

▪10Mb/s满足应用要求吗？

▪从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移

•起因：

对主干带宽的需求

•20世纪80年代末开始，直到今天仍未停止

•主要产品

▪FDDI

▪快速以太网

▪100VG-AnyLAN

▪千兆以太网、万兆以太网

•最终胜利者是谁？

▪关键：

兼容（保护投资）、灵活、简易、技术成熟

1.快速以太网（FastEthernet，FE）

▪传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍

•标准为IEEE802.3u

•拓扑结构为基于集线器的星形结构；

•传输介质只支持双绞线和光纤；

•帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。

▪提供了10/100Mb/s自适应功能；

▪IEEE802.3u定义了4种不同的物理层标准

•100Base-TX：

使用两对5类双绞线（最常用）

•100Base-FX：

使用62.5/125μm多模光纤

•100Base-T4：

使用四对3类双绞线

•100Base-T2：

使用两对3类双绞线

▪100Base-TX的拓扑结构

▪快速以太网的应用

•主干连接

•需要高带宽的服务器和高性能工作站

▪网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站

•向桌面系统普及

2.千兆位以太网和万兆位以太网

▪千兆位以太网（GigabitEthernet，GbE）

•为什么需要千兆以太网

▪新的应用

•网络分布计算、计算机视频、网络存储

▪快速以太网的迅速普及

•要求主干有更高的带宽

•两个主要标准

▪IEEE802.3z，1998.6正式公布

•1000Base-SX，MMF/550m

•1000Base-LX，SMF/5000m

•1000Base-CX，屏蔽短铜缆/25m

▪IEEE802.3ab，1999.6正式公布

•1000Base-T，UTP/100m

•千兆位以太网的特征

▪1000Mb/s，全双工或半双工

▪沿用10Mb/s传统以太网帧格式

▪半双工仍使用CSMS/CD协议

▪兼容10Base-T和100Base-T

▪节点能力的自动协商

•速率提高到1000Mb/s时的网络跨距问题：

▪为保持兼容，半双工时的最小帧长度仍规定为64字节，导致网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！

•解决方法：

▪1.将时间槽扩展为512字节（是以前的8倍）；

▪2.“载波扩展”技术：

帧长不足512字节时，在其后填充特殊的符号至512字节；（想一想，是否完美？

）

•“帧突发”技术：

允许站点连续发送多个短帧

▪解决短帧较多时网络传输效率低的问题

•千兆以太网的物理层技术

•千兆以太网的拓扑结构

▪在半双工方式时，网络跨距减小很多：

•任意两个站点间最多只能有一个中继器

▪在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器的特性有关：

•站点间允许有多台千兆设备，可以构造较大范围的网络

•千兆以太网的应用

▪交换机到交换机的主干连接；

•将网络交换机之间的10/100M链路用1000M链路代替，可以显著地提高网络的整体性能。

▪具有高带宽需求的服务器集群或某些高性能工作站与网络主干之间的连接；

•通过网络服务器中配置的千兆以太网卡，可以建立与交换机之间的1000M连接，极大地提高了服务器的传输带宽。

▪企业网络或园区网络的主干；

•千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mb/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。

同时，以千兆位以太网交换机为核心的主干网络能支撑更多的网段，每个网段有更多的节点及更高的带宽。

▪多机系统主机之间的互联。

▪万兆位以太网

•万兆位以太网的特征

▪传输速率为10Gb/s；

▪保留了802.3的帧格式、最大帧长度和最小帧长度；

▪不再使用CSMA/CD协议；

▪只能工作在全双工方式；

▪只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；

▪支持两种类型的物理层：

10Gb/s局域网物理层和10Gb/s广域网物理层：

•多个万兆位以太网可以通过SONET/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。

•标准：

IEEE802.3ae，2002年公布

▪局域网物理层：

•10GBase-X和10GBase-R，MMF:

300m，SMF:

几十km；

▪广域网物理层：

•10GBase-W，SMF:

几百km以上。

•速度提高到10Gb/s所遇到的问题

▪不采用特殊措施，网络跨距将只有2米

▪若使用“载波扩展”（帧长至少4096字节），短帧的传输效率将降低到1.5％

•同时使用“帧突发”，最大效率也只能达到30％

•“载波扩展”的额外开销使吞吐率下降，冲突概率增大

•解决方法

▪前提：

保持与现有以太网的兼容、低功耗和低成本

▪抛弃CSMA/CD，只工作在全双工方式

▪只使用光纤介质（双绞线成本太高）

•万兆位以太网的应用

▪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。

▪FDDI的自修复功能

•正常情况下，仅主环工作，次环用于备份。

当主环出现故障时，FDDI在能够自动重新配置，使网络流量绕过主环中的故障点从备份环中通过。

▪FDDI的优缺点

•主要优点：

▪令牌传递协议消除了数据冲突；

▪双环结构提供了优秀的容错能力；

▪内建的网络管理能力；

▪令牌传递协议能保证预知的、确定的时延；

▪在现有的100Mb/s的网络技术中，其网络覆盖范围最大，适用于大型LAN和MAN。

•主要缺点：

▪协议比较复杂；

▪安装和管理相对困难；

▪价格昂贵，与快速以太网和千兆以太网相比，性能价格比低；

▪与广泛使用的以太网之间进行互联比较困难。

•目前正逐渐被快速以太网和千兆以太网所替代。

6.6无线局域网

▪为什么需要无线网络?

•有线网络的缺点

▪临时组网不方便

•如运动会、军事演习

▪网络互联要跨越公共场合时布线很麻烦

▪难于解决移动站点问题

•无线网络可以很好地解决以上问题

•无线网络类型很多，如电信移动网络、无线局域网（WLAN）等

无线网络的应用

▪在布线不方便或者不可能的情况组建网络

▪漫游访问

▪不同建筑物中的局域网之间的无线互联

▪电视机、机顶盒、笔记本电脑/台式电脑和大容量存储设备之间的数据/视频流传输

▪家庭网络

无线局域网标准

▪WLAN，采用无线传输技术的局域网

▪IEEE802.11标准，1997年发布

•工作频带2.4GHz，最大传输速率2Mb/s

▪1999年9月，802.11a和802.11b

•802.11a：

工作频带5.8GHz，最大传输速率54Mb/s

•802.11b：

工作频带2.4GHz，最大传输速率11Mb/s

▪2003年6月，802.11g

•工作频带2.4GHz，最大传输速率54Mb/s

▪2007年3月，802.11n（草案2.0版本）

•工作频带2.4GHz/5GHz，最大传输速率约为300Mb/s

无线局域网的物理层

▪拓扑结构

•有基础结构的拓扑

▪依赖于一个服务访问点（AP）或一个有线网络

▪适合于免布线的办公室环境和家庭无线网络

•无基础结构的拓扑

▪又称为临时结构网络（AdHocNetwork）

▪不依赖于服务访问点或有线网络，由无线站点通过相互关联临时组成一个网络

▪适合于需要临时搭建网络的场合

WLAN中的AP与BSS

▪AP（无线接入点，AccessPoint）

•是WLAN中的“无线基站”，类似有线网络中的HUB

•AP的功能：

▪站点之间的信息转发

▪WLAN与有线局域网之间的“桥接器”

▪BSS（基本服务集，BasicServiceSet）

•是一个地理区域，类似于移动电话系统中的蜂窝结构。

•每一个BSS都有唯一的BSSID（也称为SSID），只有设置了正确的BSSID，站点才能访问BSS。

WLAN的拓扑结构

WLAN的物理介质

▪跳频扩展频谱（FHSS）

•FHSS将工作频带分成83个1MHz带宽的信道。

FHSS使用其中的79个信道，数据载波频率可在这79个频率之间随机跳动。

WLAN的物理介质（续）

▪直接序列扩展频谱（DSSS）

•使用一个具有更高比特率的片码（chippingcode）对发送的数字信号（1和0）进行调制。

▪802.11标准中，片码为11位。

•DSSS将2.4GHz的工作频带划分成14个22MHz的频道（频道之间有重叠）。

数据可从任何一个频道进行传送（无需跳频）。

▪红外线

•波长850到950nm，传输范围较小，仅限于室内

无线局域网的数据链路层

▪LLC子层与IEEE802.3完全相同，所不同的仅是MAC子层

▪MAC子层采用CSMA/CA（载波检测多路访问/冲突避免）协议

•不是在发送过程中去监听是否发生了冲突，而是发送前设法避免冲突的发生

•“冲突避免”采用了三种机制来实现：

预约信道、正向确认（Acknowledgement）和RTS/CTS

冲突避免的措施

▪预约信道

•发送站点向所有其他无线站点通告本站点将要占用信道多长时间，以便让其它站在这段时间内不要发送数据，起到了避免冲突的效果。

▪正向确认

•接收站点正确收到数据帧时，就向发送站点发送一个ACK帧作为接收成功的肯定回答，否则将不采取任何动作。

发送站点根据是否收到ACK帧决定重发与否。

•用于冲突的恢复。

▪RTS/CTS

•通过RTS/CTS帧预约信道，以避免隐蔽站冲突问题。

•例如：

有A、B、C三个站点，B在A和C之间。

A和C都能与B通信，但A和C却因为相距较远而彼此无法了解对方的存在，若它们都向B发送数据就会发生冲突。

802.11n无线局域网

▪新一代WLAN标准

▪达300Mbit/s的传输速率

▪采用SpatialMultiplexingMIMO（空间多路复用多入多出）技术

•MIMO是一种智能天线技术，它通过多组独立天线组成的天线阵列系统，通过创建多个并行空间信道，将要传输的数据分割成多个部分进行并行独立传输。

•MIMO带来的优点

▪数据传输率高、传输信号稳定、噪音干扰小、传输距离远。

不同标准的WLAN比较

本章小结

▪局域网的体系结构：

物理层和数据链路层（及两个子层）

▪局域网的特点以及局域网具有的技术特征

▪介质访问控制方法：

CSMA/CD、TokenPassing

▪以太网的工作原理，MAC地址

▪局域网的扩展：

在不同层次上实现的优缺点？

▪高速局域网技术：

快速以太网、千兆/万兆以太网。

速度提升需要解决哪些问题？

如何解决？

▪无线局域网：

技术及应用