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第4章 局 域 网,基本内容：介绍局域网的基本概念、拓朴结构、常用的局域网传输媒体，局域网的共享媒体技术，传统以太网的工作原理及连接方法、CSMA/CD协议、碰撞退避算法、MAC地址、MAC帧，局域网的扩展，高速以太网技术。,局域网的拓朴结构 以太网的工作原理、CSMA/CD协议、MAC帧 以太网的连接方法 局域网的扩展技术 高速以太网技术,重点掌握：,4.1 局域网概述,4.1.1 局域网的概念,局域网(Local Area Network, 简称LAN)是计算机网络的一种。局域网是在一个较小的范围(一个办公室、一幢楼、一家工厂等)，利用通信线路将众多计算机(一般为微机)及外围设备连接起来，达到数据通信和资源共享的目的。,局域网最主要的特点是：网络通常为一个单位所拥有，地理范围几米到几公里。局域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率。,决定局域网特性的主要技术：设备互联的拓扑结构；用于传输数据的媒体；由于信道共享而采用的媒体接入控制方法。,4.1.2 局域网的拓朴结构,最常见的局域网拓朴结构有星型、环型、总线型和树型。如图4-2所示。,集线器,(a) 星型网*,(b) 环型网,(c) 总线网,(d) 树型网,图4-2 局域网的拓朴结构,注：图(a)在物理上是一个星型网，但在逻辑上仍是一个总线网,干线耦合器,匹配电阻,（1）星型拓朴,每一个站点通过点-点链路连至中心节点，所有的通信都由中心节点控制，一般采用线路交换。中心节点也可以有数据处理能力并提供共享资源。 近年来由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中,星形网以及多级结构的星形网获得了非常广泛的应用。,基本特性,优点,建网容易，配置方便； 每个连接的故障容易排除，不影响全网； 控制协议相对简单。,缺点,在同样覆盖面积内；所用电缆量较大； 扩展不方便，需要预留或增设电缆； 对中心节点要求非常高，一旦中心节点产生故障,全网将不能工作。,集线器,或交换机,（2）环型拓朴,由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环。入网设备连到中继器上。中继器是较简单的设备，无存储转发功能。它从一条链路上接收数据,以相同速率在另一条链路上输出。数据在环上是单向传输的。 由于所有站点共享一个环，因此要对站点对环的访问进行控制。控制采用分布的办法，即每个站都有控制发送和接收的访问逻辑。,基本特性,优点,电线长度较短，与总线拓扑类似； 适于采用光缆连接，从而提高数据速率。,缺点,某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作； 站点离网、入网都较困难。,（3）总线拓朴,将所有站点通过硬件接口连接到单根传输介质共享总线上。在IEEE802标准中IEEE802.3(即以太网)和IEEE802.4(令牌总线)都是总线拓扑。,基本特性,优点,与星型拓扑相比，所需电缆长度较短； 结构简单，可靠性高； 扩充(如增加站点、延长电缆等)较容易。,缺点,故障检测不很容易，如总线有故障需分段查找，如站点有故障需一个一个查； 站点需要提供访问控制功能。,4.1.3 常用的局域网传输媒体,双绞线：价格便宜、安装方便，在局域网中使用最多。但抗干扰能力较差，传输距离较短。适用于建筑物内部的布线系统。,同轴电缆：分为粗缆和细缆，价格中等、安装较方便，有较高的数据传输率，在早期的局域网中使用较多。抗干扰能力较好，传输距离较远。,光 缆：损耗低、抗干扰能力强，传输率高，传输距离远，是环型网或主干网的主要传输媒体。但价格贵，技术复杂。,无线传输：采用无线电波、红外线、微波等作为媒体，传输距离远，不受空间限制。但设备价格昂贵，技术复杂。,4.1.4 局域网的媒体共享技术,可分为两大类：静态划分信道和动态媒体接入控制。,（1）静态划分信道：如频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等。用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突。但这种划分信道的方法代价较高，不适合于局域网。,（2）动态媒体接入控制：又称为多点接入（multiple access），其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。又分为两类： 随机接入：其特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么就会在共享媒体上产生碰撞（发生了冲突），使得这些用户的发送都失败。因此必须有解决碰撞的网络协议。 受控接入：其特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。,最常用的局域网以太网的媒体接入控制方法是：CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection载波监听多点接入/冲突检测）。,4.2 传统以太网, 特指最早进入市场的10Mbps速率的以太网。现在以太网已经发展到100Mbps、1Gbps、10Gbps的速率。,4.2.1 以太网的工作原理,以太网的两个标准,以太网诞生于1975年，美国Xerox公司，2.94Mbps，无源电缆。 1980年9月DEC公司、Intel公司、Xerox公司联合推出10 Mbps以太网规约的第一版DIX V1。 1982年修改推出第二版DIX Ethernet V2。成为世界上局域网产品的第一个规约。 1983年IEEE 802委员会制订局域网标准：IEEE 802.3，两个标准差别很小。,2.网卡的作用,计算机与局域网的连接和通信是通过网络接口卡来实现的，网络接口卡又称为通信适配器，简称为网卡。网卡和局域网之间的通信是以串行方式进行的，如图4-3所示。,计算机,CPU,高速缓存,存储器,网络接口卡 （网卡）,至局域网 串行通信,并行通信,I/O总线,当网卡收到一个有差错的帧时，就将该帧丢弃；当收到一个正确的帧时就用中断来通知计算机并交付给协议栈中的网络层。 当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。,3.CSMA/CD协议,传统以太网采用的媒体接入协调方法是CSMA/CD协议。,CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,载波监听多点接入/碰撞检测,多点接入,许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，是总线型网络。,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。,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，由信号电压摆动值的大小来判断是否发生了碰撞。正常发送时，计算机发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号；发生碰撞时，信号会产生严重的失真。一旦发生碰撞，就立即停止发送。,为什么会发生碰撞？,每个站点都是在监听到信道“空闲”时才发送数据的，为什么还会发生碰撞？根本原因是因为电磁波在媒体上的传播速度总是有限的。,假设局域网两端的站A和站B相距1km（电磁波在1km电缆上的传播时延约为5s），单程传播时延记为。,A,B,A,A,A,B,B,B,A,t = 0 A发送数据,B,t = 2 A检测到 发生碰撞,t = B检测到信道空闲发送数据,t = /2 发生碰撞,t = B检测到碰撞停止发送,A和B发送数据均失败，它们都要推迟一段时间后再重新发送,4.争用期,最先发送数据帧的站点，在发送数据帧后至多经过2 就可以知道该帧是否发生了碰撞。 以太网的端到端往返时延2 称为争用期，又称为碰撞窗口。,？ 问 题 ？,考虑这样的一种情形：当某站正在发送数据时，另外两个站有数据要发送。这两个站进行载波监听，发现总线忙，于是就等待；当它们发现总线变为空闲时，就立即发送自己的数据。但这必然再次发生碰撞；经检测发现了碰撞，就停止发送。然后再重新发送，这样下去，一直不能发送成功。,解决这一问题，需要采用所谓的退避算法。,退 避 算 法,就是让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即再发送数据，而是推迟（这叫做退避）一个随机时间。具体做法是：,（1）确定基本退避时间，一般是取为争用期2 。 （2）定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=Min(重传次数，10)。 （3）从离散整数集合0,1,2,(2 k-1)中随机地取出一个数，记为r。重传输所需的时间就是r倍的基本退避时间。 （4）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。,这样做是为了减小 再次发生碰撞的概率。,说明想发送数据的站太多，以致连续发生碰撞。,4.2.2 传统以太网的连接方法,传统以太网的传输媒体有四种：,10BASE5 粗缆,10BASE2 细缆,10BASE-T 双绞线,10BASE-F 光缆,中继器,收发器,端接器 （50）,接 地,（1）粗缆以太网的连接,粗缆以太网的硬件配置,1）网卡：每个结点需要一块提供AUI接口的以太网卡或PCMCIA卡。 2）收发器：每个结点通过安装在干线电缆上的收发器与网络进行连接。 3）收发器电缆：用于连接结点和收发器,通常称为AUI电缆。 4）电缆系统：包括：粗缆(RG-11 A/U)：直径为10毫米，特征阻抗为50欧姆，每隔2.5米有一个标记；N-系列连接器插头：安装在粗缆段的两端； N-系列桶型连接器：用于连接两段粗缆；N-系列终端匹配器：安装在干线电缆段的两端,用于防止电子信号的反射；干线电缆段两端的终端匹配器必须有一个接地。 5）中继器：每个干线段的长度不超过500米。可以用中继器连接两个干线段，以扩充主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用四个中继器，连接五段干线段电缆。,粗缆以太网的技术参数,最大干线段长度：500米 最大网络干线电缆长度（使用4个中继器）：2500米 每条干线段支持的最大结点数：100 个 收发器之间最小距离：2.5米 收发器电缆的最大长度：50米,（2）细缆以太网的连接,中继器,端接器 （50）,接 地,BNC T型接头,细缆以太网的硬件配置,1）网卡：每个结点需要一块提供BNC接口的以太网卡或PCMCIA卡。 2）BNC-T型连接器：每个结点通过T型连接器与网络进行连接,它水平方向的两个插头用于连接两段细缆,与之垂直的插口与网络接口适配器上的BNC连接器相连。 3）电缆系统：包括：细缆(RG-58 A/U)：直径为5毫米,特征阻抗为50欧姆； BNC连接器插头：安装在细缆段的两端；BNC桶型连接器：用于连接两段细缆；BNC 终端匹配器：BNC 50欧姆的终端匹配器安装在干线段的两端,用于防止电子信号的反射。干线段电缆两端的终端匹配器必须有一个接地。 4）中继器：每个干线段的长度不能超过185米,可以用中继器连接两个干线段,以扩充主干电缆的长度。每个以太网中最多可以使用四个中继器,连接五个干线段电缆。,细缆以太网的技术参数,最大干线段长度：185米 最大网络干线电缆长度（使用4个中继器）：925米 每条干线段支持的最大结点数：30 个 BNC-T型连接器之间的最小距离:0.5米,（3）双绞线以太网的连接,集线器,集线器,集线器,双绞线以太网的硬件配置,1）网卡：每个结点需要一块具有一个RJ-45连接器的Ethernet网卡。如果安装一个无盘工作站，必须使用一个远程引导的PROM 。 2）集线器（Hub）：可能的端口数：8、10、12或24个。有些包括与同轴电缆或光纤主干相连的端口。 3）电缆系统：10BASE2非屏蔽双绞线；RJ-45连接器，针1、2用于发送，针3、6用于接收。,双绞线以太网的技术参数,从集线器到集线器的距离不能超过100m；集线器级联最多4个。 一个集线器能够连接多达24个工作站；集线器到站点距离最多100米。 中心集线器能够连接最多12个集线器； 集线器可提供与同轴电缆或光纤相连的端口； 无需使用网桥在网络上连接多达1023个工作站,4.3 以太网的MAC层,4.3.1 IEEE802局域网模型,4.3.2 MAC层的功能,对共享介质的局域网要解决介质访问控制问题。因此将数据链路层分为两个子层,即介质访问控制MAC(Medium Access Control)子层和逻辑链路控制LLC(Logical link Control)子层。 MAC子层的主要功能是:帧的封装和拆封、物理介质传输差错的检测、寻址、实现介质访问控制协议。 LLC子层的主要功能是:连接管理(建立和释放连接)、与高层的接口、帧的可靠、按序传输及流量控制。,4.3.3 MAC地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址，这一地址被固化在每个网卡的ROM中，每个网卡在出厂时都赋于了一个全世界范围内唯一的地址编号，地址为6字节（即48位）。 所有网卡制造商对网卡地址范围达成协议，每个制造商只能使用许可范围内的地址，这样可保证生产出来的网卡不使用重复的地址。IEEE的注册管理委员会RAC负责分配地址6个字节中的前3个字节（称为地址块），大约1250美元可以买一块，一个地址块中的24位可以生产224=16777216个网卡地址。后三个字节的地址由制造厂家自行安排。例如，3Com公司生产的网卡的MAC地址的前3个字节为02-60-8C。,4.3.4 MAC帧的格式,IEEE802.3标准的MAC帧和Ethernet V2的MAC帧相似，不同点在第三字段，在Ethernet V2中该字段表示LLC的上层所使用的协议类型，而在802.3标准中该字段表示后面数据字段的长度。 MAC帧数据字段至少46字节，长度不够时，则应加以填充，内容不限，这样，MAC帧的最小长度是64字节。,4.4 扩展的局域网,4.4.1 在物理层扩展局域网,集线器,集线器,集线器,三个独立的碰撞域,（a）三个独立的局域网,集线器,集线器,集线器,集线器,一个更大的碰撞域,中心集线器,（b）一个扩展的局域网,图4-18 用多个集线器连成更大的局域网,4.4.2 在数据链路层扩展局域网,网段A,网段B,网桥,MAC1,MAC2,MAC3,MAC4,MAC5,MAC6,1,2,端口管理软件,网桥协议实体,缓存,端口2,端口1,1,2,站表,1.网桥,2. 多端口网桥以太网交换机,集线器,集线器,集线器,以太网交换机,路由器,Internet,WWW服务器,E-mail服务器,10BASE-T,100Mb/s,100Mb/s,100Mb/s,用以太网交换机扩展局域网,4.5 高速以太网,传输速率达到或超过100Mb/s的以太网。,4.5.1 100BASE-T以太网,100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓朴以太网。又称为快速以太网。 用户只要更换一个网卡，再配上一个100Mb/p的集线器，就可以方便地由10BASE-T升级到100BASE-T，而不必改变网络的拓朴结构。快速以太网的MAC帧仍然使用IEEE802.3规定的格式。 半双工方式下仍然使用CSMA/CD协议，全双工方式则不需要CSMA/CD协议,1.由10BASE-T升级到100BASE-T,2. 快速以太网的物理层标准,快速以太网的国际标准代号是IEEE802.3u。新标准规定了三种不同的物理层标准：,（1）100BASE-TX 使用2对UTP5或STP5类双绞线，其中一对用于发送，另一对用于接收。信号编码采用MLT-3（多电平传输-3）的编码方法，即用正、负和零三种电平传送信号。其编码规则是： 当输入一个0时，下一个输出值不变。 当输入一个1时，下一个输出值要变：若前一个输出值为正值或负值，则下个输出值为零；若前一个输出值为零，则下一个输出值与上次的一个非零输出值的符号相反。,（2）100BASE-FX,使用2根光纤，其中一根用于发送，另一根用于接收。 信号的编码采用4B/5B-NRZI编码。NRZI即不归零1制（当“1”出现时信号电平在正值与负值之间变化一次），4B/5B编码是将数据流中每4bit作为一组（Block），然后按编码规则将每一组转换成5bit，其中至少有2个“1”，保证信号码元至少发生两次跳变。,（3）100BASE-T4,使用4对UTP3类或5类双绞线。 信号的编码采用8B6T-NRZ编码。 8B6T编码是将数据流中每8bit作为一组，然后按编码规则将每一组转换成6bit的三元制码元。同时使用三对线传送数据（每对线以 的速率传送数据），用一对线作为碰撞检测的接收信道。,4.5.2 吉比特以太网,即千兆以太网，其标准代号为IEEE802.3z。技术要点：,1.技术要点,允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。 使用802.3协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用CSMA/CD协议，全双工方式下不需要使用CSMA/CD协议。 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。,2. 吉比特以太网的物理层标准,有两个：1000BASE-X和1000BASE-T,（1）1000BASE-X（802.3z标准),基于光纤通道的