计算机局域网(4学时).ppt

1,第4章 计算机局域网,本章内容（P193、122131） 局域网的概念、特点及组成 局域网的体系结构 局域网的关键技术（拓扑结构、信号的传输形式、介质访问控制方法） 以太网Ethernet,2,4.1.1 局域网的概念和特点 在一个较小的范围（一个办公室、一幢楼、一家企业、一个校园等）内，利用通信线路将众多计算机（一般为微型计算机）及外设连接起来，达到数据通信和资源共享目的的一种网络。 特点： 1、覆盖有限的地理范围（一般0.125km）； 2、传输速率高（通常在10Mb/s1000Mb/s之间)、传输延时小、误码率低（一般10-8 10-11）； 3、结构简单，易于实现、成本低； 4、可使用多种传输介质连接。,4.1 局域网概述,3,4.1.2 局域网的基本组成,局域网由网络硬件和网络软件两大部分组成。,一、网络硬件 网络服务器、网络工作站、网络接口卡、网络设备（交换机、集线器、中继器、网桥等）、传输介质及介质连接部件，以及各种适配器等。 二、网络软件 网络软件是一种在网络环境下运行和使用的软件。根据其功能与作用，分为网络系统软件和网络应用软件。或者说一种是控制与管理网络运行的软件；另一种是使通信双方能够交流信息的软件。,4,图例：采用100Mbps交换以太网技术组建一个局域网，其硬件设备包括计算机系统、100Mbps网络接口卡(网卡)、快速以太网交换机(Switch)、非屏蔽双绞线(UTP)及RJ-45标准接口部件。,5,（一）服务器 提供服务的结点称为服务器（Server），在服务器上装有网络操作系统和网络驱动器（即服务器的硬盘），它能处理分组的发送和接收以及网络接口的处理。 使用这个服务器提供的服务的称为该服务器的客户（Clients）或用户。PC服务器硬件的几种外形：,刀片式服务器 机架式服务器 塔式服务器,6,常见的服务器类型有以下几种。 1文件服务器 文件服务器给用户提供了操作系统中文件系统的各种功能，例如生成文件、删除文件、共享文件等。文件服务器涉及的很多问题和操作系统、数据库设计涉及的问题是类似的，所不同的是，这些问题要在网络环境下处理。 一般的文件服务器除了文件管理外还包括用户管理、安全管理、网络管理、系统管理等功能。 2打印服务器 打印服务器上接有打印机，网上其他结点和该服务器通信，并使用与其相连的打印机打印文件。 3终端服务器 终端服务器又称为终端集中器，终端通过终端集中器再接到网上，终端到其他结点之间的通信都通过终端集中器。,7,（二）工作站 使用服务器提供的功能的网络结点就是工作站。工作站可以是基于DOS、Windows XP/7的PC机，Apple Macintosh系统、运行OS/2的系统以及无盘工作站。无盘工作站没有软驱和硬驱，而是使用网络接口卡上固化在引导芯片中的特殊引导程序直接从服务器上引导。,8,4.2.1 局域网参考模型(IEEE802参考模型),4.2 局域网体系结构（P122-124）,在开放系统互连模型（OSI/RM）中，其下三层主要涉及的是通信功能。 在这方面局域网有自身的特点，结合局域网自身特点，参考OSI/RM，IEEE802提出了局域网的参考模型（LAN/RM）。 和OSI/RM相比，LAN/RM只相当于最低两层： 物理层用来建立物理连接是必要的； 数据链路层把数据构成帧传输，并实现帧的顺序控制、差错控制及流量控制功能，使不可靠的链路变成了可靠的链路，也是必需的。,9,LAN/RM中物理层和数据链路层的功能如下： 1物理层 物理层提供在物理层实体间发送和接收比特的能力，一对物理层实体能确认出两个介质访问控制MAC子层实体间同等层比特单元的交换。 物理层也要实现电气、机械、功能和规程四大特性的匹配。,10,2数据链路层 为了使局域网中数据链路层不致过于复杂，LAN/RM将其划分为两个子层，即逻辑链路控制子层（LLC，Logical Link Control）和介质访问控制子层（MAC，Media Access Control）。与访问各种传输介质有关的问题都放在MAC子层，当介质存取方法改变时，不致于影响其他较高层协议。数据链路层中与介质访问无关的部分都集中在LLC子层。 数据链路层的功能分别由其LLC子层和MAC子层承担。 LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口（具有发送帧和接收帧的功能）。还具有帧顺序控制及流量控制等功能。 LLC子层还包括某些网络层功能，由于局域网中的数据是按编址的帧传送，没有中间交换，因而不需要路由选择。 MAC子层支持数据链路功能，并为LLC子层提供服务。支持CSMA/CD，令牌环、令牌总线等介质访问控制方式。 它判断哪一个设备具有享用介质的权力以及介质操作所需要的寻址。,11,4.2.2 IEEE802局域网协议标准,为了使不同厂商生产的网络设备之间具有兼容性、互换性和互操作性，急需建立一个统一的标准，局域网标准化委员会(IEEE802委员会美国电气与电子工程师协会)应运而生，制定了一系列局域网标准，称为IEEE802标准。,12,IEEE802标准系列中的主要标准,802.2 - 逻辑链路控制子层（LLC）功能与服务 802.3 - CSMA/CD（以太网） 802.4 - Token Bus（令牌总线） 802.5 - Token Ring（令牌环） 802.8 FDDI（光纤分布数据接口） 802.11 WLAN（无线局域网）,IEEE802标准主要描述了局域网网络体系结构中最低两层（物理层和数据链路层）的功能以及网络层的接口服务，其编号从IEEE802.1到IEEE802.13。（见P124）,13,4.3 局域网的关键技术 拓扑结构（逻辑、物理） 总线型、星型、环型 信号传输形式 基带、宽带 介质访问方法 CSMA/CD、Token-passing,14,总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 星 型: 所有结点都连接到中央结点 环 型: 节点通过点到点链路与相邻节点连接,Bus,Star,Ring,A,B,C,A,D,C,B,A,B,C,A,T,4.3.1 局域网的拓扑结构,15,1.总线型拓扑结构,所有节点都通过相应的硬件接口连接到一条作为公共传输介质的总线上，信息的传输以“共享介质”方式进行。任何一个站点发送的信号都可以沿着介质双向传播，而且能被其他所有站接收（广播方式）。,16,（1）所有节点都通过相应的网卡直接连接到一条作为公 共传输介质的总线上； （2）传输介质：同轴电缆和双绞线； （3）信道的通信方式：半双工，即所有节点都可以发送 和接收数据，但一段时间内只允许一个节点发送数 据，当一个节点以“广播”方式发送数据时，其他节 点可以用“收听”方式接收数据； （4）可能出现“冲突”（collision）现象，即同一时刻有 两个或两个以上节点通过总线发送数据，会造成传 输失败，需要解决多结点访问总线的介质访问控制 问题。,总线型特点：,17,总线型的优缺点：,一个节点失效不影响其他 节点的工作，节点的增删不影 响全网的运行。 结构简单 接入灵活 扩展容易 可靠性高,总线拓扑的缺点： 1.故障诊断困难 2.故障隔离困难,18,2.星型拓扑结构,特点： 存在一个中心节点 每个节点通过点到点的链路与中心节点连接 所有通信都通过中心节点进行 采用星形拓扑的交换方式有线路交换和报文交换，尤其以线路交换更为普遍。,19,星形拓扑的优点： 1.配置方便； 2.每个连接点只接一个设备，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网； 3.集中控制和故障诊断容易，容易检测和隔离故障，可方便地将有故障的结点从系统中删除； 4.简单的介质访问协议。 星形拓扑的缺点： 1.电缆长度长，安装复杂 需要大量电缆。电缆沟、维护、安装等会产生一系列问题，因而增加的费用相当可观。 2.扩展困难 需要在初始安装时，放置大量冗余的电缆，以配置更多的连接点。 3.依赖于中央结点 若中央结点产生故障，则全网不能工作。,20,3.环型拓扑结构,特点： 以共享介质方式进行数据传输 每个节点都与两个相邻的节点相连 节点之间采用点到点的链路 网络中的所有节点构成一个闭合的环 环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输,21,环型结构优缺点：,结构简单，容易实现，传输延迟确定，适应传输负荷较重、实时性要求较高的应用环境。但可靠性差、故障诊断困难，若环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪。,22,1、基带传输：把数字脉冲信号直接在传输介质上传输。所使用的典型传输介质有双绞线、基带同轴电缆、光纤。 2、宽带传输：把数字脉冲信号经调制后再在传输介质上传输。所使用的典型传输介质有宽带同轴电缆、无线电波等。 传统局域网中主要的传输形式是基带传输，宽带传输主要使用在无线局域网中。,4.3.2 信号的传输形式,23,局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道（共享介质）会如下出现问题： 各站点如何访问共享信道？ 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？ 解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。 介质访问控制方法： 控制网络中各个节点之间信息的合理传输，对信道进行合理分配的方法，也就是网络中的多个站点如何共享通信媒体。,4.3.3 介质访问控制方法,24,常见的方法有两种： 载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD） Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法 令牌传递（Token Passing） Token Ring（令牌环） Token Bus（令牌总线） FDDI（光纤分布式数据接口） 采用受控访问技术的分散控制型介质访问控制方法,25,CSMA/CD被广泛地应用于局域网的MAC子层，是IEEE802.3的核心协议，也是以太网所采用的协议。它是典型的随机访问技术，也是一种争用型技术。CSMA/CD主要是为解决如何争用一个广播型的共享传输信道而设计的，它能够决定该谁使用信道。,1.CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,26,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 真的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！,27,（1）CSMA载波监听多路访问 基本方法： 发送前先监听信道，确定是否有其他站发送的信号； 若空闲则可以发送； 如果信道忙，等待一定间隔后重试。 “等待一定间隔”称为“坚持退避”，算法： i. 不坚持CSMA （1）若空闲，则立即发送。 （2）若忙，等待一段随机时间，重复第一步。 ii. 1-坚持CSMA （1）若空闲，则立即发送。 （2）若忙，继续监听，直到空闲，然后立即发送。 iii. P-坚持CSMA （1）若空闲，则以概率P发送，以（1-P）的概率延迟一个时间单位。延迟后重复第一步。 （2）若忙，继续监听直到空闲，重复第一步。,28,三种“坚持退避”方法的缺点： i. 不坚持CSMA的缺点： 即使有几个站点有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，因此介质的利用率低。 ii. 1-坚持CSMA的缺点： 如果有两个或两个以上的站点同时发送，冲突就不可避免。 iii. P-坚持CSMA的缺点： 如何有效选择概率P值。 CSMA的最大缺点是不能处理以下情况： 若要发送信息的多个站点同时发现介质空闲，他们就会同时发送信息，于是发生冲突。 此问题发生的原因，各站点监测到介质空闲后的发送过程中不会再监测有无冲突产生。 如何解决此问题？,29,（2）CSMA/CD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，然后发送一串干扰信号（Jam）； 发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。 等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。 归结为四句话： 先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。 举例说明！,30,2.令牌传递（Token Passing）,A,B,D,C,站点,干线耦合器,单向环,点到点链路,（1）IEEE802.5令牌环网 （ Token Ring ） 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环,31,令牌环（Token Ring）基本工作原理:,网上所有站点都处于空闲时，令牌沿环绕行 a. 发送站点： 必须等待，直到捕获到令牌 发送数据帧释放令牌 吸收数据帧（绕环一周后） b. 中间站点（数据帧的目的地址与自己不同）： 转发环上的数据帧 c. 接收站点（数据帧的目的地址与自己相同）： 拷贝环上的数据帧 转发环上的数据帧,这种介质访问方法的基础是令牌(Token)。令牌是一种特殊的帧(3字节)，用于控制网络站点的发送权，只有抓住令牌的网络站点才能发送数据。 拿到令牌的站点将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；由于只有一个令牌，一次只能有一个站点发送，因此令牌环技术不存在争用现象，是一种无争用型介质访问控制方法。,32,以下是令牌传递过程的简述： 1.当有一个结点有数据帧要发送时，它首先检测令牌是否有空，如果有空，它夺取令牌并将其数据帧附在令牌上。 2.当携带数据帧的令牌继续环行时，后面的每个结点都校验数据帧。 3.目的设备辨认出此数据帧，接收它，并将一个收据信号附在令牌上，随后令牌继续环行。 4.当源设备收到收据信号后，它就解除令牌的忙状态，于是令牌自由环行，过程又重新开始。,33,Token Ring/IEEE802.5的操作举例,34,（2）IEEE802.4令牌总线（Token Bus）,在物理上令牌总线是一根线型或树型的电缆，其上 连接各个站点；在逻辑上，所有站点构成一个环 。这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。,35,小结： 1、CSMA/CD属于随机型介质访问控制方法，采用总线争用的 方式。具有结构简单、在轻负载下延迟小等优点，但随 着负载的增加，冲突概率增加，性能将明显下降，适用 于对数据传输实时性要求不严格的应用环境。 2、Token Ring属于确定型介质访问控制方法，具有重负载 下利用率高、网络性能对距离不敏感以及具有公平访问 等优越性能，但环形网结构复杂，存在检错和可靠性等 问题，适用于对数据传输实时性要求较高的环境。 3、Token Bus也属于确定型介质访问控制方法，是在综合以 上两种介质访问控制方法优点的基础上形成的一种介质 访问控制方法。,36,4.4 传统以太网,4.4.1 以太网的产生与发展 70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）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,物理介质（比如电缆）将比特流传输到各个站点，就像古老的“以太理论”（luminiferous ether）所阐述的那样，古代的“以太理论”认为“以太”通过电磁波充满了整个空间。 经DEC, Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准） DIX V1（1980）、DIX V2（1982）Ethernet II 特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆 1985年被采纳为IEEE 802.3，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” Ethernet II和IEEE 802.3二者区别很小 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 ,一种在以前被假定为电磁波的传播介质，具有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特性。,37,4.4.2 以太网的物理层选项与标识方法 速率、信号传输方式、介质类型,38,4.4.3 以太网的MAC地址（物理地址）,说明： 以太网的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，该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。,39,以太网物理地址的特点： （1）IEEE802.3标准规定：MAC地址的长度为6个字节，共 48位,表示为EUI-48,可有24670万亿个地址（有2 位用于特殊用途），可满足全球所有以太网物理地 址的需求，表示方法为在两个十六进制数之间用一 个连字符隔开。 （2）物理地址高3B地址（24位）称为机构惟一标识符OUI， 由IEEE注册管理委员会（R