第5章局域网技术.pptx

1、,第5章 局域网技术,2,5.1 局域网概述,2.1.1局域网概述,3,产生背景（20世纪70年代）,高速发展（20世纪90年代）,局域网的主要性能指标,概念：将较小地理范围内各种数据通信设备连接在一起、以处理共享信息为主要目标的数据通信网络。,局域网特征,4,决定局域网特性的主要技术要素,5,5.1.2 局域网的拓扑结构,6,6,总线型拓扑,7,干线耦合器,环形拓扑,5.1.2 局域网的拓扑结构,8,星型拓扑,5.1.2 局域网的拓扑结构,9,树形结构 这是一种对前几种拓扑结构的综合。主要是对总线拓扑结构和星形拓扑结构的扩展，从而构成一个完整的、庞大的网络系统。这种结构由于便于扩展，性能好，

2、在大型网络中广泛应用。,5.1.2 局域网的拓扑结构,5.1.3 IEEE802系列标准,1980年2月，IEEE 成立了专门委员会开发了IEEE802系列局域网标准。IEEE802为局域网规定的标准只对应OSI参考模型的最低两层。,10,5.1.3 IEEE802系列标准,IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口.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,11,5.1.3 IEEE802系列标准,按功能划分数据链路层为两个子层的目的：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

3、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。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）。,12,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。,13,14,5.2 共享式局域网,2022

4、年10月20日,15,5.2 多路访问协议,两种链路点到点链路PPP广播链路(共享线路或介质)传统以太网802.11无线局域网,2022年10月20日,16,5.2 多路访问协议,广播链路的特点单个共享广播信道两个或多个节点同时传输：相互干扰 碰撞：一个节点同时收到两个或多个信号多路访问协议：解决共享信道的访问控制分布式算法决定节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据特别注意：有关共享信道的通信（协商）需使用信道本身没有额外的信道来进行协调,2022年10月20日,17,5.2 多路访问协议,理想的多路访问协议需满足（假定：信道为速率为R b/s的广播信道）：当只有一个节点有数据发送时，该节点

5、的吞吐量为R(保证充分利用信道)当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/M(保证公平性)分散没有特定节点用于调整传输没有时钟同步简单,2022年10月20日,18,5.2 多路访问协议,多路访问协议分类信道划分协议将信道划分成小的“片”（时隙、频率、CDMA编码）将“片”分配给节点使用目的：避免碰撞随机访问协议信道没有被分割，节点可以随机地发送数据允许碰撞，重点放在如何解决碰撞恢复轮流协议节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长时间,2022年10月20日,19,5.2 多路访问协议,随机访问协议当节点有数据发送时以信道全部速率R传输没有主节点起协调作用两个或多个节点传送时碰撞随机访问协议解

6、决如何检测碰撞如何从碰撞中恢复（如：延时后重传）随机访问协议举例：CSMA,CSMA/CD,CSMA/CA,2022年10月20日,20,5.2 多路访问协议,轮流协议问题的背景信道划分协议在重负荷时，共享信道有效、公平在轻负荷时效率低：信道访问延时，即使只有一个活动节点，也只能分配到1/N的带宽随机访问协议轻负荷时效率高：只有一个节点时，能充分利用信道在重负荷下:碰撞的开销轮流协议在两个方面寻求最佳的解决方案!,2022年10月20日,21,5.2 多路访问协议,轮询协议主节点邀请从节点轮流传输关注:轮询开销、等待时间、单点失效(主节点)令牌传递协议控制令牌依次通过各个结点令牌报文关注：令牌

7、的开销、等待时间、单点失效(token),2022年10月20日,22,5.2 多路访问协议,对于共享介质能做什么?信道划分，基于时间、频率、编码时分，频分，CDMA随机访问 CSMA,CSMA/CD载波侦听:有线“易行”、无线“困难”CSMA/CD 用于以太网CSMA/CA 用于 802.11轮流主节点轮询，令牌传递,23,解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。介质访问控制方式的定义：网络中各节点使用传输介质进行安全可靠数据传输的通信规则。,介质访问控制方法,5.2.1 共享介质与CSMA/CD协议,24,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Coll

8、ision Detect)带冲突检测的载波监听多路访问用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）；发送Jam信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。,CSMA/CD,25,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,CSMA/CD 协议,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电

9、阻,B,只有 D 接受B 发送的数据,26,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,27,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线

10、上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,28,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,29,1 km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,电磁波在总线上的有限传播速率的影响,30,1 km,A,B,t,t=B 检测到信道空闲发送

11、数据,t=/2发生碰撞,A,B,A,B,t=0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,t=0,A,B,单程端到端传播时延记为,31,2.1.3以太网技术,Add Your Text,以太网的发展,5.2.2 IEEE 802.3,传统以太网的连接方法,传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。,32,10BaseT and 100BaseT,10/100 Mbps 速率;称为快速以太网T 代表双绞线（Twisted Pair）节点连接到集线器:“星形拓扑”;在节点和集线器之间的最大距离为100 米,33,10Base5,粗同轴电缆，可

12、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,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,34,10Base2,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,35,集线器,集线器本质上是物理层的中继器:从一个接口收到的比特流会传给其它所有

13、接口同样速率没有帧缓存集线器没有 CSMA/CD:由适配器检测碰撞提供网络管理功能,36,5.2.3 共享以太网的组建,传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),37,阅读：中继器,38,信号 变得越来越弱,38,衰减和噪音,为保证数据的完整性，信号只能在一定的有限距离内传递。,集线器与交换机,集线器是一种多端口的中继器，是物理层的一种介质连接设备,39,在网络工程中，如何增加传输距离呢？一般采用中继器设备。中继器的作用：它将接收到的弱信号中

14、的数据提出，放大并转发信号,集线器与交换机,集线器是一种多端口的中继器，是物理层的一种介质连接设备集线器的功能：把从一个端口上收到的信息在其他所有端口上广播发送逻辑上仍属于总线结构，是共享式网络,40,集线器,集线器工作在物理层:从一个接口收到的比特流会传给其它所有接口同样速率没有帧缓存集线器没有 CSMA/CD:由适配器检测碰撞提供网络管理功能,41,使用集线器的双绞线以太网,集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,42,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是

15、CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。,43,具有三个接口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,44,冲突域,45,冲突域（Collision Domain）是指网络上可能发生冲突结点的集合，冲突域中的每一个结点都能收到域中其他结点发送的数据帧。,广播域,46,在网络通信中，一个结点向所有结点发送消息称为广播网络中能接收任何一结点发出的广播帧的所有结点的集合称为一个广播域（Broadcast Domain）。,独立的冲突域,47,HUB连接的设备共享一个冲突域HUB连接的设备共享一个广播域,A,B,C,D,集线器与交

16、换机,某大学有三个系，各自有一个局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,48,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,49,优点使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,50,标准以太网,当前提高网络性能的主要思路:从提高电缆的传输速率着手提高网络性能。采用网络分段，将一个大型局域网划分成多个子网通过替换核心设备，将共享式局域网变为交换式局域网。设计新的体系结构与介质访问控制方法。,51,52,几种常见的以太网,快速以太网,53,快速以太网,100BaseTX 5类双绞线（2对线）100BaseFX 光纤100BaseT4 3、4、5类双绞线（4对线）,(1995年802.3u),不足：快速以太网仍是基于CSMACD技术。这点在使用交换技术的LAN中就不存在了。,54,5.3 交换式局域网,交换