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1、局域网学习笔记局域网学习笔记第1章 局域网技术基础 本章主要内容 ?局域网体系结构与标准 ?局域网的拓扑结构 ?局域网的传输媒体 ?局域网的互连 1.1 概 述 1.1.1 局域网的普及 一个微机系统应用于学校、办公楼、工厂、企业等场合，这些系统互连起来，实现系统之间交换数据和共享昂贵的的资源。 （1）主要包括与其它用户交换报文、共同访问公共文件和数据资源； （2）实现硬件资源的共享，例如共享大容量存储器和高性能激光打印机等。 1.1.2 局域网的定义 在一个小区范围内，将分散的微机系统互连起来，实现资源的共享合同型，便构成了局域网 （LAN）。几点说明： （1）局域网终端设备：又称为数据通信

2、设备。主要包括：微机、服务器、终端、外围设备、传感 器（如温度、湿度、安全报警传感器等），数字电话、数字电视发送和接收机以及传真机等。 当然不是所有的LAN都能配置上述设备。 （2）局域网的地理覆盖一般可达几十公里范围； （3）局域网在传输媒体上的数据传输速率为10Mbps、100Mbps及1000Mbps。 1.1.3 局域网的技术要素 ?体系结构与标准 ?传输媒体 ?拓扑结构 ?数据编码 ?媒体访问控制 MAC ?逻辑链路控制 LAC 1.2 局域网体系结构与标准 1.2.1 局域网参考模型 LAN参考模型是以IEEE802（国际电工电子工程师协会）标准的工作文件为基础,并且采用参考模型来

3、分析这一问题。 1.局域网存在的四个特征 （1）它用带地址的帧来传送数据； （2）不存在中间交换，所以不要求路由选择。 （3）数据传输各层的对应内容： 第一层： 物理层，比特传输； 第二层： 数据连路层，组成帧，并进行一定的控制，主要包括：寻址、排序、流量控制、差错控制等。 第三层： 网络层，完成路由选择。 （4）层二和层三的区别 层二是通过单个链路完成其功能，层三是通过数个链路完成的。 2.域网体系结构 3.局域网数据的传递（二层和三层） （1）最上层接收来自所连接的站的发送信息； （2）通过服务访问点（SAP）向下层交换信息，SAP是相邻层的逻辑接口； （3）发送时将数据组装带有地址的差错

4、检测字段的帧； （4）接收时拆卸帧，完成地址识别和差错检测； （5）管理链路上的通信。 4.物理层的主要功能 （1）信号的编码和译码； （2）前导码的生成和除去（前导码用于帧同步）； （3）比特的发送和接收。 1.2.2 局域网媒体访问控制 1.么是MAC？ 所有局域网均由共享该网络传输能力的多个设备组成。需要有某些方法控制对传输媒体的访问， 以便两个特定的设备在需要时可以交换数据。 2.体访问技术中的“方法” “方法”分为两种，指控制是在集中方式下还是在分布方式下来实现。 （1）集中方式： 某个控制器被指定拥有访问网络的控制权，此时，希望发送的某个站必须等待，直到他收到该控制器的准许，该站才

5、允许发送。 （2）分布方式： 由各个站集体地完成媒体访问控制功能，动态地确定站的发送顺序。 （3）集中方式方案的优点和缺点： 优点a.可提供诸如优先权、保证带宽，具有较大的控制访问能力。 b.允许每个站有尽可能简单的逻辑； c.避免了协调问题。 缺点：a.会出现影响全网的单点故障； b.会发生瓶颈作用，时效率降低。 分布方式方案的优点和缺点：正好与集中式相反。 3.访问控制技术的分类 主要按同步和异步进行划分。 （1）同步技术： 每个连接均被分配一个专用规定的传输容量。这种方式在局域网中不是最佳的，因为每个站发送数据是随机的。 （2）异步技术： 根据各站的发送情况分配传输容量，异步技术可进一步

6、划分为：循环、预约、竞争三种情况。 1.异步技术三种方法 （1）循环： 给每个站轮流发送的机会，在此机会里，某站可以谢绝发送，或发送一定限度的信息。此限度为每个站每次发送的最大数据量或最大时间量来表示。 （2）预约： 对于平稳流式的业务，预约技术是相当合适的。即将媒体（介质）上的时间划分为许多时隙，当某站需要发送信息时，提前预约时隙。 （3）竞争： 对于突发式业务，竞争技术通常是合适的，各个站采取简单的竞争方式进行竞争发送数据。常用的方式为循环和竞争方式。 1.2.3 局域网数据链路控制LLC 1.LAN的LLC与传统链路层的区别： （1）它必须支持链路的多路访问特性； （2）它可利用MAC子

7、层来实现链路访问中的某些功能； （3）它必须提供某些属于三层的功能。 2.LLC的主要功能： （1）端到端的差错控制功能； （2）端到端的流量控制功能； （3）完成无连接服务功能； （4）完成面向连接服务功能； （5）能进行复用，即多个不同的端点的数据在同一信道上传输。 3.服务访问点（SAP） SAP在每层中有若干个点，分别用SAP1、SAP2SAPn表示，每个SAP属于某站，但它又在LLC层有若干个SAP，每个SAP均由一个自己的地址，例如A点LLC层的SAP，可简单表示为：（A，1），如下图。下面来看各站的SAP之间是如何通信的。 如上图，假设站A内有一个应用X，希望将电文发送给站C内的

8、一个进程，（A为某PC内的报告生成程序，C为一台打印机和一个简单的打印机驱动器） （1）站A的链路发送一个“连接请求”，的若干控制比特的帧，该帧内含源地址（A，1X），目的地址（C，1M），及其它的控制比特。 （2）LAN将该帧传递给C站； （3）如果“C”站空闲，就返回一个“接受连接”帧，（如果不空闲，这需要等待）； （4）当A站与C站建立连接后，就可以利用站A的LLC将来自X的全部数据组装成帧，每帧均含源地址和目的地址； （5）在此段时间，所有寻找（A，1）的帧均被拒绝，除非是来自（C，1）的帧。同样（C，1）的寻找帧也被（C，1）拒绝，字节收（A，1）的帧。 （6）以上方式被称为面向连接

9、服务。 在以上进行数据交换的同时，各站的其它SAP之间可以同时传递消息，例如，进程Y可以连接到 （A，2），并与（B，1）交换数据，这就是一个复用的例子。 1.2.4 寻址 1.信涉及三个因素：进程、主机、网络 （1）进程是进行通信的基本实体，（也就是指软件程序）。我们举例说明两个站之间的进程是如何传递的。（例如A站和B站） A站的进程通过PC机，然后通过网络与B站进程进行连接，并交换数据。进程在PC机上进行。 （2）主机 （3）网络 2.通信（含寻址）的过程 MH：必须包含一个用来唯一地标识局域网上某个站的目的地址，因为对于每一个可接收的站必须读出“目的地址”，如果和本站地址不同，则向下一站

10、传送；如果和本站地址相同，则MAC实体标剥除MH和MT，并且将剩余的LLCPDU向上传递，LLC子层的标头LH中必须包含SAP地址，以便LLC可将该数据交付给哪个SAP。 MAC地址：表识局域网中的一个站； LLC地址：表识LLC上的某个SAP（某个用户）。 3.SAP的分布 （1）在每两层之间均有SAP（服务访问点），物理层上没有SAP。 （2）在网络接口单元（NIU）上的每个终端接口都具有一个唯一的SAP； （3）组地址： 某用户希望将数据发送给特定NIU上的所有终端用户，或者给整个局域网上的所有终端用户，这就需要组地址。 a.广播方式； b.多址方式。 4.局域网寻址的多种方式 MAC地

11、址LLC用户地址（服务访问点） 单个单个 单个多址 单个广播 多址广播 广播广播 多址单个 多址多址 广播单个 广播多址 1.2.5 局域网标准 1.3 局域网的拓扑结构 131星型拓扑结构 特点： （1）每个站由点到点链路连接到公共中心； （2）任意两站之间的通信均要通过中心点； （3）中心点可以是一个中继器，也可以是一个局域网的交换机； （4）发送数据的站以帧的形式进入中心点，以帧中的目的地址到达目的站点。 （5）目前局域网系统中均采用星型拓扑结构。 132 环形 特点： （1）由一组转发器（又称为中继器）通过点到点链路连接成封闭的环所构成。 （2）以帧的方式传输数据，循环一周，在起始位除

12、去。 （3）有令牌的站才可以发送帧。 133 总线和树型 树型特点：传输媒体是不构成闭合环路的分支电缆，也即在树型网络中，任意两个终端之间只有唯一的一条路径。 总线型特点：只有传输媒体，没有交换机，也没有转发器。 1.4 局域网的传输媒体 传输媒体主要有双绞线、同轴电缆和光纤。 1.4.1 双绞线 1.物理描述 2.传输特性 （1）对模拟信号，约每56Km需要一个放大器； （2）对低频数字信号，每23Km需用一个转发器。 1.4.2 同轴电缆 分类： （1）CATV系统中使用75电缆，主要用于宽带FDM模拟信号及高速数据。 （2）基带数字信号使用50电缆，对于模拟信号可达300MHz400MH

13、z，每个电视信道分配6MHz的带宽。 （3）带宽和速率的关系： 对于5Mbps或更高的速率可设定1Hz/1bps，如6MHzTV信道5Mbp速率。 对于较低速率可设计 2 Hz/1bps； 目前用整条同轴电缆（75）传送数据，可达50Mbps，距离一般为1Km左右。 1.4.3 光缆 传输特性：1014Hz1015Hz范围起波导作用。 多模：小角度的入射光纤被反射并沿光纤传播，其余光纤被周围媒体所吸收。 单模：纤芯半径降低到波长的量级时，只有单个角度或单个模，即只有轴向光束能通过。 1.4.4 无线传输媒体 分类： （1）射频（RF）：900MHz、2.4GHz、5.8GHz(无需申请的频率)

14、 （2）红外线(IR)800mm900mm波段,地域范围可达数十米,可获得10Mbps的数据传输率。 散射IR(DFIR):范围较小,但收发之间可有障碍物； 直射 IR(DBIR) :范围较大,但收发之间不能有障碍物。 1.5 局域网的互连 局域网的互连主要通过以下设备实现： （1）中继器（又称转发器，在物理层实现互连）； （2）网桥（又称桥接器，在数据链路层实现互连）； （3）路由器（在网络层实现互连）； （4）网关（又称网间连接器，在传输层及以上实现互连）。 1.5.1 中继器 中继器，又称重发器，主要是将信号再生放大，主要作用为： （1）将冲突域延长、扩大； （2）但不能将电路形成环路；

15、中继的个数有限，主要为时延及负荷情况； （3）多口中继器又称为集线器，可分为电缆中继器（双绞线、同轴电缆）和光缆中继器。 1.5.2 集线器 集线器又称为集中器，用它作为一个中心节点，可连接多个传输媒体。集线器分为有源集线器，无源集线器和智能集线器。 1.5.3 网桥 用于连接两个或两个以上具有相同通信协议、传输媒体及寻址结构的局域网网间的互连设备。 （1）网桥有它的软件和硬件。网桥需要有足够大的RAM（存储器）缓冲区，用于扩展网络距离和转发数据到另一个目的网工作站。 （2）网桥具有寻址和路径选择功能；网桥对广播信息不能识别，也不能过滤； （3）网桥又分为本地网桥和远程网桥。 本地网桥：指所连

16、接的两个LAN间的距离在所允许的最大传输媒体长度之内的网桥。连接两个LAN 只需一个网桥。 远程网桥：必须加上调制解调器，而且连接两个LAN时需要两个网桥。 1.5.4 路由器 1.主要功能： （1）选择最佳的转发数据的路径，建立非常灵活的连接，均衡网络负载。 （2）利用通信协议本身的流控来控制数据传输，解决拥挤问题； （3）具有判断需要转发的数据分组的功能，判定某数据是否需转发。 2.路由器分为： （1）单协议路由器：对具有相同网络层协议的网络互连； （2）多协议路由器：对具有多种网络层协议的网络互连。 1.5.5 网关（又称高层协议转发器） 第2章 以太网 以太网是最早使用的局域网,也是目

17、前使用最广泛的网络产品。 以太网有10Mbps、100Mbps和1000Mbps的网络。以星型为主。交换型以太网 逐渐代替了共享型以太网，并使用了全双工以太网技术。 2.1 概述 1. 20世纪70年代中期，Xerox公司制定了以太网协议并进行实验，速率为2.94Mbps； 2.1980年，Xerox、Intel和DEC三公司联合发表DIX80，即以太网的标准； 3.1981年6月，IEEE802 LAN标准委员会成立； 4.1985年，IEEE802 LAN标准委员会正式通过了局域网标准。 5.传统的以太网的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式工作,网络的站点在同一 时刻要么发送

18、数据,要么接收数据,而不能同发送和接收。 6.交换型和全双工以太网的出现，实现了站点独占传输媒体并同时收发数据。 2.2 以太网标准系列 年份代号标准类型 198210BASE58023粗同轴电缆 198510BASE28023a细同轴电缆 199010BASET8023I双绞线 199310BASEF8023j光纤 1995100BASET8023u双绞线 1997全双工以太网8023x双绞线、光纤 19981000BASEX8023z短屏蔽双绞线、光纤 20001000BASET8023ab双绞线 2.3 以太网的功能模块 2.4 帧结构 2.4.1 以太网的帧结构 7 1 6 6 2 4

19、61500 4 前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型 （TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS） 1.前导码 为101010。，共56位，为了同步。 2.帧首定界符（SFD） 为10101011，表示一帧开始。 3.目的地址（DA） 为MAC的物理地址，共6字节。又分为单地址、多地址和广播地址。 （1）单地址：最高位是“0”； （2）多地址和广播地址：最高位是“1”。（广播地址时，DA同时为全“1”代码）4.源地址（SA） 同上 5.类型（TYPE） 主要说明高层所使用的协议类型，如IP地址。 6.数据区（DATA） 它的范围为：461500字节，如不够46字节

20、，则必须填充到46字节。 7.帧检验序列（FCS） FCS是通过计算除前导码、SFD和FCS以外的内容得到的。 2.4.2 以太网与IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构的比较 7 1 6 6 2 461500 4 前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）类型 （TYPE）数据区（DATA）帧检验序列（FCS） 以太网帧结构 7 1 2/6 2/ 6 2 461500 046 4 前导码帧首定界符（SFD）目的地址（DA）源地址（SA）长度（L） 逻辑链路层协议单元LLCPDU填充字段 PAD帧检验序列（FCS） IEEE802.3（CSMA/CD标准）帧结构 说明：如

21、果LLCPDU46字节，则发送站的MAC子层自动填“0”代码于填充段PAD中。 以太网与IEEE802.3的区别： 比较以太网IEEE802.3 数据段直接为网络层的分组为LLCPDU 长度/类型类型（值大于1536D）长度（值小于1536D） 以太网帧IEEE802.3帧 DA段在最高位有意义：区分单址还是多址在最高两位有意义次高位“0”：全局管理次高位“1”：局部管理广播地址DA段，次高位“1”DA段，次高位“1” 2.5 媒体访问控制技术 1.发送规则 2.碰撞槽时间（重点讲解） 假设公共总线媒体长度为S，帧在媒体上的传播速度为0.7C（光速），网络的传输率为R（bps）， 帧长为L（b

22、ps），tPHY为某站的物理层时延； 则有： 碰撞槽时间=2S/0.7C+2tPHY 因为Lmin/R=碰撞槽时间 所以：Lmin =（2S/0.7C+2tPHY ）R （注意，原书中有错！） Lmin 称为最小帧长度。 碰撞槽时间在以太网中是一个极为重要的参数，有如下特点： （1）它是检测一次碰撞所需的最长时间。 （2）要求帧长度有个下限。（即最短帧长） （3）产生碰撞，就会出现帧碎片。 （4）如发生碰撞，要等待一定的时间。t=rT。（T为碰撞槽时间） 3.接收规则 （1）网络上的站点，如不发送，则接收； （2）接收后，首先判断是否为帧碎片； （3）识别目的地址； （4）判断FCS是否有效，

23、若无效，丢弃；若有效，进行（5）步； （5）确定长度字段时长度还是类型，以0600H为界； （6）接收成功。解封后送到LLC层。 2.6 选学内容 2.6.1 以太网时隙（slot time） 1.为什么要设置时隙？ （1）在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。但信号传播到整个介质需要一定的时间。 （2）考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。 （3）但B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。 （4）由于

24、信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。 2.下面我们来估计在最坏情况下，检测到冲突所需的时间 （1）在上图中，A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为，假定A在t时 刻开始发送一帧，则这个帧在t+时刻到达B，若B在t+时刻开始发送一帧，则B在t+时就 会检测到冲突，并发出阻塞信号。 （2）阻塞信号将在t+2时到达A。所以A必须在t+2时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的 发送时间必须大于2。 （3）按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接最大长度为2500米，最多经过4个中继器，因 此规定对于10Mbps以

25、太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2s。 （3）51.2s也就是512位数据在10Mbps以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定 义为以太网时隙。512位时=64字节，因此以太网帧的最小长度为512位时=64字节。 3.冲突发生的时段 （1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时=64字节的时段。 （2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。 （3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后 也就不会再发生冲突了，称此为主机捕获了信道。 4.中继器与网桥和冲突的关系 （1）中继器和冲突的关系： ?中继器不能隔离冲突

26、，所以把中继器相连的网段作为一个冲突域。 ?冲突退避算法限制了每个主机的退避时间从1个时隙到最多210=1024个时隙，因此， 由中继器连接的多段以太网中，主机数一般不超过1024个。 （2）网桥和冲突的关系： 网桥能隔离冲突，因此，在主机数超过1024个时，可以通过网桥连接。 5.100Mbps和1000Mbps以太网的时隙 （1）100Mbps以太网的时隙： 100Mbps以太网的时隙仍为512位时，以太网规定一帧的最小发送时间必须为5.12s。 （2）1000Mbps以太网的时隙 1000Mbps以太网的时隙增至512字节，即4096位时。 6.坚持退避算法 有三种CSMA坚持退避算法，

27、如下图： （1）非坚持CSMA； ?假如介质是空闲的，则发送； ?假如介质是忙的，等待一段随机时间，重复第一步； （2）1-坚持CSMA； ?假如介质是空闲的，则发送； ?假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送； ?假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。 （3）P-坚持CSMA； ?假如介质是空闲的，则以P概率发送；而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。时间单 位等于最大的传播延迟时间。 ?假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。 ?假如发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。 7.三种方法的比较： 非坚持1-坚持P-坚持 优点当站点要发送时，只要介质空闲，就立即发

28、送。降低1-坚持的冲突概 率，又减小介质浪费。 缺点即使有几个站有数据要发送，介质仍可能处于空闲状态。介质利用率低。 假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。P值的选择 非常重要。 2.6.2 载波监听多路介质访问/冲突检测（CSMA/CD） 载波监听多路介质访问/冲突检测协议已广泛应用于局域网。其方法是： 每个站在发送帧期间，同时有检测冲突的能力，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上 发送一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，这样通道的容量不致因白白传送一损坏的帧而 浪费。 2.6.3 退避算法 在CSMA/CD算法中，在检测到冲突并发完阻塞信号后，为降低再冲突的概率

29、，需等待一个随机过 程，然后再用CSMA算法发送。为了决定这个随机时间，采用称为二进制指数退避算法，算法如 下： （1）对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量为L=2； （2）退避间隔取1L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于2a（双向传播时间=2a， 即:a=0.5）； （3）当帧重复一次冲突时，则将参量L加倍； （4）设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。 2.7 物理层结构功能 2.7.1 编码和译码技术 计算机直接输出的码为不归零码（NRZ），在以太网的物理层媒体上传输帧的二进制码必须采用特 殊的编码。 在10BASEX上采用曼彻斯特码。优点为： （1）传输的代

30、码中包括了同步时钟； （2）能很方便的检测到发生碰撞的现象，平均电平发生了变化。 （3）容易区分“1”、“0“。 2.7.2 收发器 ?向媒体发送信号 ?从媒体接收信号 ?识别媒体是否存在信号(在总线上是否有载波) ?识别碰撞(在总线上是否发生了碰撞) 四种10BASE以太网物理连接（P.28） 2.7.3 四种10BASE以太网物理性能比较 四种10BASE以太网物理性能比较 10BASE510BASE210BASET10BASEFL 收发器外置设备内置芯片内置芯片内置芯片 媒体10,50同轴电缆5,50同轴电缆3、4、5类不屏蔽双绞线625/125 多模光缆 最长媒体段500m185m100m2km 拓扑结构公共总线型公共总线型星型星型 中继器/集线器中继器中继器集线器集线器 最大跨距/媒体段数25km/5925m/5500m/54km/2 网卡上连接端9芯D型AUIBNC，T头RJ45ST 2.8 10BASET以太网组网技术 2.8.1 10BASET以太