计算机网络PPT电子课件教案-第3章_局域网技术.ppt

第3章 局域网技术,理解局域网的三个要点： 它仅提供通信功能。仅包含了低两层（物理层和数据链路） 的功能，所以连到局域网的数据通信设备必须加上高层协 议和网络软件才能组成计算机网络。 局域网连接的是数据通信设备。 局域网传输距离有限，网络覆盖的范围小。,局域网：将较小地理区域内的数据通讯设备连接在一起的通讯 网络 特点：（ 1）地理范围有限（2）传输速率高，延迟小（4）误 码率低（4）网络的管理权属单一组织所有 应用：连接一个楼群、一栋楼或一个办公室里的数据通讯设备,3.1 局域网的发展和分类,1969年，世界上第一个计算机网络arpanet在美国诞生。 1972年，贝尔公司提出2种环形网技术 1973年，bob metcalfe和david boggs发明以太网 1980年，制定了以太网v1.0规范 1983年，制定ieee802.3标准，并提出光纤高速网标准fddi 1985年，制定令牌环标准ieee802.5 1990年，开发快速以太网技术 1995年，制定快速以太网标准ieee802.3u 以太网容易使用、价格低廉，并且具有极好的扩展性。 在过去的十年中，以太网的速度已经从10mbps发展到100mbps、再发展到1000mbps，现在又发展到10g以太网。 长距离的千兆以太网技术和百兆以太网技术。,3.2 局域网的硬件配置,网络硬件 实现局域网的物理连接，为连在局域网上的计算机之间的通信提供一条物理通道。包括：网络服务器、网络工作站、网络接口卡、网络设备、传输介质、介质连接器和各种适配器。 计算机系统 是网络的基本单元，具有访问网络、数据处理和提供共享资源的能力。有网络服务器和网络工作站之分。 通信系统 是连接网络基本单元的硬件系统，主要作用是通过通信电缆（即传输介质或传输媒体）、网络设备等硬件系统将计算机连接在一起，为网络提供通信功能。,局域网硬件系统图,(1)服务器server,提供网络通信功能 为网络用户提供各种软硬件资源，并能管理和分配这些资源，协调用户对资源的访问。 提供文件管理功能 提供各种internet信息服务，如文件服务、打印服务、存储服务、电子邮件服务、域名服务、web服务、文件传输服务 提供各种网络应用服务，如信息管理系统、远程教学、电子图书馆、ip 电话、电子商务和远程医疗、视频点播、电视会议等多媒体应用。 提供网络管理功能，监控网络运行情况，对网络进行性能管理、失效管理、配置管理、设备管理等。, 网络工作站client,网络工作站是指用户能够在网络环境中工作，访问网络共享资源的计算机系统，通常又被称为客户机（client）。网络工作站是连接在局域网上的一台计算机，用户通过它来访问网络，共享资源。 主要作用：是为网络用户提供一个访问网络服务器、共享网络资源、与网上的其它节点交流信息的操作台和前端窗口，使用户能够在网上工作，如在网上传输文件、使用共享打印机打印文件、访问internet各种信息服务和共享网上的各种软硬件资源等。, 网络接口卡,（nicnetwork interface card）又称网络适配器（nianetwork interface adapter），简称网卡。网卡是安装在计算机中的一块电路板，作为计算机的外部设备插在扩展槽中，用于实现计算机和传输介质之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。在局域网中，每一台连网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络电缆系统。 网卡功能：完成物理层和数据链路层，包括网卡与传输介质的物理连接、介质访问控制（如csma/cd）、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码（如曼切斯特代码的转换）、数据的串、并行转换等功能。 网卡的种类 ： （1）支持协议不同：以太网卡、快速以太网卡、fddi网卡、atm网卡 （2）总线接口分类：isa总线网卡、pci总线网卡、eisa总线网卡等, 网络设备,网络设备是集线器、中继器、交换机等网络连接设备和网桥、路由器等网间互连设备的统称。通过这些设备可以把计算机连接起来组成局域网，或将局域网与局域网互连起来，组成更大规模的互连网。 网络设备是组建计算机网络的关键设备。, 传输介质,传输介质是通信双方交流信息的物理通道，用于两个网络站点之间原始比特流的实际传输。传输介质的品种繁多，每一种介质在带宽、延迟、信号衰减、抗干扰能力、传输距离、安装维护难度等方面都不相同。传输介质的选用是非常重要的，它对网络性能影响极大。在局域网中，常用的是有线传输介质，主要有非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、同轴电缆和光缆。,3.3 局域网基本技术,3.3.1 局域网参考模型, 物理层,物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流，它的主要作用是确保二进制位信号的正确传输。 局域网传输介质与传输距离。 物理接口的机械特点、电气特点、性能特点和规程特点。 传输信号的编码方案，局域网常用的编码方案有曼切斯特码、差分曼切斯特码、非归零码、4b/5b码、8b/10b等。 错误校验码以及同步信号的产生与删除。 传输速率。 拓扑结构，局域网常见的拓扑结构（参见图1-1）有星型、环型、总线型及树型。 物理信令（pls），物理层向介质访问控制子层提供的服务原语，包括请求、证实、指示原语。, mac子层,mac子层主要制定管理和分配信道的协议规范，即用来决定广播信道中信道分配的协议属于mac子层。mac子层是与传输介质有关的一个数据链路层的功能子层。 主要功能是进行合理的信道分配，解决信道竞争问题。它在支持llc子层中，完成介质访问控制功能，为竞争的用户分配信道使用权，并具有管理多链路的功能。mac子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。 ieee802已制定的介质访问控制标准有：带冲突检测的载波监听多路访问、令牌环和令牌总线等。, llc子层,llc子层与传输介质无关，它独立于介质访问控制方法，隐藏了各种802网络之间的差别，向网络层提供一个统一的格式和接口。 作用是在mac子层提供的介质访问控制和物理层提供的比特服务的基础上，将不可靠的信道处理为可靠的信道，确保数据帧的正确传输。llc子层的具体功能包括：数据帧的组装与拆卸、帧的收发、差错控制、数据流控制和发送顺序控制等功能。 为网络层提供两种类型的服务：面向连接服务和无连接服务。,3.3.2 介质访问控制方法,csma/cd、令牌环等是著名的多路访问信道的分配算法和协议。其中，csma/cd（carrier sense multiple access/collision detect）是具有冲突检测（cd）功能的载波监听多路访问（csma）控制方法 .,(1)csma-载波监听多路访问,载波监听多路访问csma技术，也称做无听后说lbt(listen before talk)。 要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体空闲，该站点便可传输数据；否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。 这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1坚持、p坚持三种。,1、非坚持算法,算法规则为： 如果媒本是空闲的，则可以立即发送。 如果媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。 采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。 非坚持算法的缺点是：即使有几个站点为都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。,2、1-坚持算法,算法规则： 如果媒体空闲的，则可以立即发送。 如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。 算法优点：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失； 缺点：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。,3、p-坚持算法,算法规则： 监听总线，如果媒体是空闲的，则以p的概率发送，而以(1-p)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。 延迟一个时间单位后，再重复步骤。 如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤。 p-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。 问题在于如何选择p的有效值。 如果选择p过大，当有多个站点试图发送，冲突就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。 p值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。,带预测的p-坚持csma,所有的节点根据网络积压参数（backlog）等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。每一个节点发送前随机的插入0w个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文前平均插入w/2个随机时间片，而w则根据网络积压参数变化进行动态调整，其公式是wblwbase，其中wbase16，bl为网络积压的估计值，它是对当前发送周期有多少个节点需要发送报文的估计。,具有冲突检测的载波监听多路访问csma/cd,在csma中，由于信道传播时延的存在，即使总线上两个站点没有监听到载波信号而发送帧时，仍可能会发生冲突。由于csma算法没有冲突检测功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。 一种csma的改进方案是使发送站点传输过程中仍继续监听媒体，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其它各有关站点。这样，通道容量就不致因白白传送已受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率。这种方案称做载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为csma/cd，这种协议已广泛应用于局域网中。, csma/cd -csma/cd的工作流程,二进制指数退避（backoff）算法,间隙时间与网络带宽、传输时延和重发次数有关，计算公式为： t=ra2n 式中，t为间隙时间，r为随机数，a为计时单位，n为冲突次数。,载波监听与冲突检测,载波监听 监听信道上有无载波信号 冲突检测 （基带总线系统）冲突产生的电压比正常产生的电压高的多；高于收发器单独发出的最大值时，就冲突了, 令牌环,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。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。,令牌环的工作原理如下,访问控制字节,4.5 环网访问控制方式-令牌环token ring（书上称为标记环）介质 访问控制方式 令牌传递过程（第一阶段）,环网访问控制方式-令牌环token ring 访问控制方式 令牌传递过程（第二阶段）,环网访问控制方式-令牌环token ring 访问控制方式 令牌传递过程（第三阶段）,3.4 具有代表性的传统网络 分类：,3.4.1 以太网（ethernet）,3.4.1.1 以太网的技术特性 以太网是基带网，它采用基带传输技术。 以太网的标准是ieee802.3，它使用csma/cd介质访问控制方法。 以太网是一种共享型网络，网络上的所有站点共享传输媒体和带宽。 以太网是广播式网络 以太网的数字信号采用曼切斯特编码方案，快速以太网采用4b/5b编码方案。 以太网所支持的传输介质类型有50基带同轴电缆（粗同轴电缆和细同轴电缆）、非蔽双绞线和光纤。, 以太网所构成的拓扑结构主要是总线型和星型。 有多种以太网标准，它们支持不同的传输速率（10mbps、100mbps和1000mbps），最高可达10gbps。 以太网是可变长帧，长度为60bytes1514bytes。 以太网技术先进，但很简单，这是它获得成功的主要原因。 以太网技术成熟，价格低廉、易扩展、易维护、易管理。,3.4.1.2 ieee802.3 以太网的体系结构, 物理层 在ieee802.3标准中，将物理层细分为两个子层： 物理信令层（plsphysical signaling）：在发送比特流时，pls层负责对比特流进行曼切斯特编码。在接收时，负责对曼切斯特码进行进行解码。另外，pls层还负责完成载波监听功能。 物理介质连接件（pmaphysical medium attachment）子层。它负责往媒体上发送比特信号和从媒体上接收比特信号，并完成冲突检测功能。,图3-7 802.3以太网体系结构,802.3标准规定pma和pls可以在、也可以不在同一个设备中实现，于是出现了2种802.3体系结构，如下图。 用户可以通过介质相关接口（mdi，medium dependent interface）和介质相连。连接件接口 auiattachment unit interface, mac子层,mac子层的核心协议是csma/cd，它的帧结构如图3-8。其中7字节的先导字段是接收方与发送方时钟同步用的，它的每个字节的内容都为10101010。1个字节的帧开始标记，表示一个帧的开始，内容为10101011。随后是两个地址：源地址和目的地址，基带网规定使用6字节地址。目的地址可以是单个的物理地址，也可以是一组地址（多点广播），当地址的最高位为0时，是普通地址，为1时，是组地址。数据字段长度标识数据段中的字节数，但在以太网帧中这个字段则表示类型。数据字段就是llc数据帧，如果帧的数据部分少于46字节，则用填充字段，使之达到要求的最短长度。,802.3桢结构,目的地址可为单个地址，也可为广播地址。 帧校验序列（fcs）字段：对前四个字段进行循环冗余校验（cyclical redundance check,crc-是一种检验通信链路上数字传输准确性的计算方法。发送和接收方按相同的算法计算，结果放在帧的最后，常用的有12、16、32位） 数据字段就是llc层交下来的llc帧，461500字节(如果帧的数据部分少于46字节，则用填充字段，使之达到要求的最短长度。 )。 前导码：mac帧传到物理层时，加上该码，是7个字节的1，0交替序列，即10101010,供接收方进行位同步之用. 起始界码: 10101011,接收方一旦收到两个连续的1后,后面的数据即交mac层.,llc帧,dsap：目标服务存取点（destination service access point）； ssap：源服务存取点（source service access point）； 控制：无连接或面向连接的llc； 数据：高层协议、数据和填充符；,3.4.1.3 10mbps以太网,3.4.2令牌环网,图3-9令牌环网基本组成 图3-10 环路始终保持闭合,图3-11 一种令牌环网工程组网结构,图3-12 星-环状组网结构, 交换型令牌环网,以令牌环网交换器为中心，构成星状拓扑结构，如图3-13所示。交换器上每个端口上连接一个令牌环网网段，若交换器上配置了10个端口，每个端口上连接具有16mbps带宽的令牌环网网段，则整个系统可达16mbps*l0160mbps带宽。,3.4.3 光纤分布式数据接口（fddi，fiber distributed data interface）网络,是第一个100mbps计算机网络，其应用受到100mbps以太网等技术的竞争，但由于其高带宽、高可靠性、技术成熟等，仍是成功采用光纤作为传输介质的网络技术。 高速率：双向运行时可达200mbps 长距离：多膜-2公里，单膜-100公里；最大节点数500 高性能：采用定时令牌环协议，采用无冲突介质访问控制协议，满足实时应用的要求 高可靠：双环拓扑结构 应用范围：局域网、城域网、主干网 网络拓扑结构：环型、星型、树型,fddi标准,mac：协议定义了介质访问和管理方法、帧结构、令牌处理、寻址和差错处理等。 ：物理层中与媒体无关的部分，它包括与mac子层间的服务接口规范。定义了数据编码规程、时钟同步、数据缓冲和线路状态检测等 物理层介质（）：pmd子层是物理层中与媒体相关的部分.包括传输介质的特性，包括光纤链路、功率等级、光纤类型和相关的连接器。 层管理（lmt）：是站管理（smt）的概念的一部分，后者包括对llc子层及更高层中的进程的管理。提供了一个站对fddi各层中正在进行的进程进行管理所必需的控制功能，从而使站在环上能协调地工作，定义了站的配置与管理，包括站的插入与移除、初始化、故障隔离与恢复等。, fddi组网技术要点 单连接站与双连接站（单环网卡、双环网卡）,星-环状拓扑结构 与ieee802.5令牌环网的组网方式相似。把物理环路按星型拓扑结构进行工程布线设计，集中器设备可以单独使用。在集中器端口上可以配置多个双环端口，也可以配置多个单环接口。, 园区主干网,由于园区主干网覆盖范围达数公里，甚至数十公里，用fddi光缆连接具有明显的优势。园区主干网要求的可靠性高，因此配置双网fddi是无可置疑的。 园区主干网fddi组网方式 ：,图3-16 通过网桥（或交换器、路由器）fddi与以太网连接, cddi（tpddi）,在某些小的覆盖范围环境中（例一个办公室中），一个集中器连接若干个站点，没必要使用光缆连接，可以使用双绞线。组成铜线分布式数据接口（cddi），也称双绞线分布式数据接口（tpddi）。 在1oombps传输率时，双绞线最长可达1oom。目前配置双绞线端口的集中器产品比端口使用光缆的产品价格上要低得多。连接双绞线的网卡也如此。用双绞线的网卡和集中器组成了cddi环状网络。 除了物理层媒体不一致外，其它层的协议cddi与fddi类同，但cddi并不提供双网产品。 也有的集中器产品上，既有光缆端口，也有双绞线端口。光缆端口往往用作集中器之间的远距离连接。,3.5 快速以太网（fast ethernet）,3.5.1 100base-t标准 802.3u标准（1995年6月13日批准）称为100base-t或快速以太网(fastethernet) ，最大速率100mbit/s 介质访问控制协议与以太网相同，即csma/cd 帧格式与以太网相同 最大网络直径为250米,快速以太网标准802.3u,符合该标准的有3种网络,100是最高传输速率(mb/s);base -基带传输; 最后字母,表示缆线类型.,3.5.2 10base-t/100base-t自适应协议,为了使网卡和集线器同时适应10base-t和100base-t的传输速率，ieee802.3定义了自适应协议.适用于10/100mbps的双速网卡，速率变换自动完成，无须人工干预,3.6 千兆以太网（gigabit ethernet）,ge是对10mbps和100mbps ieee802.3以太网非常成功地扩展，它和传统以太网使用相同的ieee802.3 csma/cd协议、相同的帧格式和相同的帧大小（60字节1514字节）。千兆以太网与现有以太网完全兼容，仅仅是速度快，它的传输速率达到1gbps。 千兆以太网支持全双工操作，最高速率可以达到2 gbps。这对于广大的以太网用户来说，意味着他们现有的以太网能够很容易地升速到1gbps或2 gbps 。,千兆以太网系统,3.6.1 千兆以太网的技术特点,千兆以太网具有以下特点： 传输速率高，是当前传输速率最高的一种局域网技术。 网络带宽宽，能提供1gbps的独享带宽（交换式千兆以太网）。 仍是以太网，仅仅是速度快。 仍采用csma/cd介质访问控制方法，仅在载波时间和槽时间等方面有些改进。 与以太网完全兼容，现有网络应用均能在千兆以太网上运行。 依靠rsvp、ieee802.1p、ieee802.1q技术标准，提供vlan服务，提供质量保证（qosquality of service），支持多媒体信息的传输。 目前，由于产品和价格问题，千兆以太网主要应用于主干网，是主干网的主流技术。,3.6.2 千兆以太网标准, ieee802.3z标准 1998年6月802.3z工作组完成了ieee802.3z标准。ieee802.3z千兆以太网标准定义了三种介质系统，其中两种是光纤介质标准，包括1000base-sx和1000base-lx；另一种是铜线介质标准，称为1000base-cx。1000base-x是1000base-sx(短波长850nm）、1000base-lx（长波长1310nm）和1000base-cx的总称，它们都是基于8b/10b编码方案的千兆以太网。, ieee802.3ab千兆以太网标准,1999年6月ieee802.3委员会正式公布了第二个铜线标准ieee802.3ab。1000base-t标准在使用4对5类非屏蔽双绞线时，能在最长100米距离的信道上支持1gbps传输速率，网络直径可达200米。至此1000base-t能与10base-t、100base-t完全兼容，它们都使用5类utp介质，从中心设备到站点的最大距离都是100米，这使千兆以太网应用于桌面系统成为现实。,千兆位以太网,ieee802.3z标准规定了4种介质,说明: 1000是最高传输速率(mb/s);base -基带传输; 最后字母,表示缆线类型.,3.7 atm局域网,atm（asynchronous transfer mode）意指异步传输模式，是为高速数据传输和通过公共网或专用网传输多种业务数据而设计的。它是一种以小的，固定长的包为传输单位（cell信元），面向连接的分组交换技术。atm是在1989年产生的，后被国际电讯联盟标准化组织itu-t确定为传输语音、图象、数据和多媒体信息的工具。虽然开发atm的原意是希望用于宽带综合业务数据网（b-isdn），但由于实施的复杂性，atm最终首先被用于局域网。现在atm已成为局域网主干网的主流技术之一。,3.7.1 atm的特点,atm是近几年来发展起来的网络技术，它的主要特点是： 面向连接的分组交换技术，综合了电路交换和分组交换的优点。 以小的、固定长的信元为基本传输单位，每个信元的延迟时间是可预计的。 允许声音、视频、数据等多种业务信息在同一条物理链路上传输, 它能在一个网络上用统一的传输方式综合多种业务服务。 数据传输速率高，一般为25mbps20gbps，如155.52mbps（oc-3）、622.08mbps（oc-12）。, 星型拓扑结构，并可以构造网状拓扑结构。 提供质量保证qos服务。atm为不同的业务类型分配不同等级的优先级，如为视频、声音等 是一种局域网与广域网的综合技术，能实现lan和wan的无缝连接。 传输介质可以是光纤（单模/多模）或双绞线（如5类双绞线）。 通过局域网仿真（lane），atm可以和现有以太网、令牌环网共存。 atm网络具有很好的扩充能力，易升级，易延展。,3.7.2 atm的基本技术,信元交换和面向连接。 信元交换 atm的基本思想是将数据分割成小的，固定长度的包，我们称之为信元，然后，以信元为基本单位，通过信元交换机（atm switching）转发它们，实现信元交换。 每个信元有53个字节，5个字节信元头和48个字节净荷（payload），即数据信息。由于信元是固定长，且信头又很简单，所以atm网络能够用硬件实现信元的快速转发和对时间延迟及时延抖动要求严格的业务类型的数据传输，并能充分利用物理层资源。,atm的信元格式如图3-21所示,gfc（generic flow control）：一般流量控制。gfc仅在uni信头存在，因为atm只在端设备与用户设备处进行流控制，以减少网络过载的可能性。 vpi（virtual path identifier）：虚通道标识符。在atm中，若干虚通路（vc）组成一个虚通道（vp），并以vp作为网络管理单位。 vci（virtual channel identifier）：虚通路标识符。用于标志一个vpi群中的唯一呼叫，在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。在atm中的呼叫由vpi和vci共同决定，且唯一确定。 pti（payload type identifier）：净荷类型。用于指示信息字段的信息是用户信息还是网络信息。,clp（cell loss priority）：信元抛弃优先级。当clp为“1“时，表示当网络拥塞时可以抛弃该信元；相反，不能抛弃clp为“0“的信元。 hec（header error control）：信头差错控制。为了提高处理效率（同时传输线路条件允许如此），atm仅进行信