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计算机网络第4章 计算机局域网 计算机局域网 局域网概述共享信道的局域网以太网的介质访问控制以太网的几种物理层规范其它局域网技术和网桥用LAN交换机的局域网局域网实例 局域网概述 1 定义局域性 跨距在数十Km以内既包括计算机也包括连接计算机的信道特点小范围有低价格的高质量信道统一归属与管理拓扑结构简单 局域网概述 2 影响局域网性能的因素传输介质双绞线 同轴电缆 光纤等网络拓扑星型 环型 总线型等MAC 介质访问控制 协议该协议规定了各个站点怎样利用共享的信道特别是在什么条件下站点可以发信交换式还是共享式对于最常用的以太网也就是用交换机组网还是用集线器组网 局域网概述 3 应用领域OA 办公自动化 MA 生产自动化 园区主干类型LAN 局域网 HSLN 高速局域网 CBX 计算机化的交换机 局域网概述 4 多站共享介质的技术 频分多路专用网络或交换式网络时分多路同步 CBX ISDN 异步随机访问 如以太网 控制访问 如FDDI及权标环 码分多路无线局域网 共享信道的环网 环网简介可由单工信道构成除发信站点外各站点皆向前转发每个比特目的地址的站点抄收发给它的数据帧发信站点从绕环返回的帧中了解发信结果环的比特长度应防止单点故障将损坏整个环 环上站点的工作状态 转发并倾听站点的环接口相当于中继转发器同时倾听各帧的目的地址以便收帧在发给自己的帧尾做上标记发信 此时要断开转发关系 从输出端发信并注意在输入端读取环行一周的帧以判定目的站点是否收到 环的比特长度 环线总延迟包括 各段环线的传播延时各个站点的转发延迟各种环网通常都以固定的速率发信把环线总延迟折合成连续发送的比特数就得到这个环 网 的比特长度站点连续发信时 这相当它从环线收到自己发出的帧的头一个比特时已经发了多少比特 几种环网简介 IEEE802 5 IBM权标环 ISO8802 5 剑桥环 ISO8802 7FDDI 分布式光纤数据接口 IEEE802 5 权标权标是一个小的控制帧 沿环传送当没有站点发信时 环上总有一个权标捕获了权标的站点可以发帧 发完帧再送出一个权标权标的AC 访问控制 字段有优先级及标志位数据帧的格式数据帧还包括FC DA SA data FCS FS优先级控制原理欲发帧优先级足够高的站点才能捕获权标 剑桥环 小包格式小包是不停地沿环传送的环的比特长度决定了环上能够有几个小包小包与基本块基本块协议相当于两站点间要传送的数据单元基本块包括地址 数据 检查和等基本块依靠小包传送小包是运载信息的车辆 FDDI FDDI传信速率是100Mb s通常环线比特长度较大 可容纳多个数据帧TRT是权标环行一周的时间 TTRT是此环的TRT的目标值 根据TRT 实际值 与TTRT 设计值 的关系决定发送帧的最低优先级4B 5B和NRZ I的作用4B 5B使线路中不会出现长的0串 NRZ I码逢1有跳变 从而部分携带了位时钟 而代价只是把每4位代码变成一个5位的符号来传送 增多1位 对环的比特长度的考虑 在室内安装的IEEE802 5环网 要在监控站插入若干比特的延迟 使该环网足以容纳一个24位的权标剑桥环根据比特长度等分成若干个小包FDDI环网通常环线上可容纳多个数据帧 防止单点故障影响全环 IEEE802 5使用多站访问部件 p52 它检查到某个进入线无信号时 用电气开关将该站点的环入与环出线在多站访问部件内短接 甩掉有故障的部分剑桥环则将各站在环上的中继器由环线统一供电 使环与诸站点的故障无关FDDI可利用双环对付单点故障 p60 其集线器 concentrator 可对付多点故障 站点的光旁路开关则可对付站点故障或关机 思考题 什么是局域网 它有哪些主要特点 环网是怎样构成的 有何特点 什么是环网的比特长度 它有何作用 试举例说明权标环是怎样工作的 试说明剑桥环是怎样传送数据的 FDDI为什么要使用4B 5B编码 共享信道的总线网 以总线式的干线为共享信道 一发多收 是基本工作模式但仅目的站点抄收发给它的数据帧干线上多站间的信号应较均衡干线终端必须接匹配器防止反射应注意电缆型号 CSMA CD的原理 从ALOHA讲起 信道上的碰撞 什么是CSMA 什么是碰撞窗口 欲发信站点监测信道后的对策 1 坚持不坚持p 坚持碰撞后的对策 立即停发 并实行退避算法 以太网的MAC技术 载波监听碰撞窗口规定为51 2微秒采用1 坚持的策略使用TBEB退避算法参与冲突的站点等待的时间为x倍的51 2x是在0到2n 1取的某个随机数 以太网和IEEE802 3 基本原理载波监听 仅在信道安静时发信碰撞检测 发信站在碰撞窗口中继续监测碰撞窗口 两最远站点间的往返传播延时碰撞后的退避使冲突的站点等待不同的时间后重新试发 EthernetII和IEEE802 3 EthernetII是IEEE802 3标准的蓝本两者在主要技术上彼此兼容最大帧长都是1500多个字节区别 EthernetII帧的类型字段在IEEE802 3帧中改成了数据长度字段另外IEEE802 3除可使用粗电缆外还可以使用细电缆 双绞线及光缆等不同介质 IEEE802 3的物理层标准 一 10Mb s的标准1 10BASE5 粗电缆 2 10BASE2 细电缆 3 10BASET 双绞线 4 10BASEFL 光缆 10Mb s以太网的物理信道 使用相同的曼彻斯特编码 10BASE2 以太网集线器 以太网的543规则 最多有5个电缆段两站点间最多经过4个转发器仅在3个电缆段上接有计算机 RJ45的接线 使用两RJ45插头的空调制解调器 适用于两计算机直接通信两集线器 或交换机 用普通端口互连实现方法是交叉接线对10BASET或100BASETX一端按EIA568A接线另一端按EIA568B接线橙 白 橙线一端接1 2 另一端接3 6绿 白 绿线一端接3 6 另一端接1 2BA IEEE802 3的物理层标准 续 二 快速以太网的标准 IEEE802 3u 100BASETX 五类双绞线 信号技术 4B 5B码 MLT 3编码100BASEFX 光缆 三 千兆位以太网 IEEE802 3z 1000BASESX 短波长 850nm 模式纤芯1km的带宽最大距离MM62 5160MHz Km220mMM62 5200MHz Km275mMM50400MHz Km500mMM50500MHz Km550m1000BASELX 长波长 1300nm 模式纤芯1km的带宽最大距离MM62 5500MHz Km500mMM50500MHz Km550mSM9 5Km 思考题 16 共享信道的方式分为随机争用与控制分配两大类 它们各有什么长处与短处 17 试述以太网的帧格式 工作原理 和以太网的适用领域 18 以太网集线器有何作用 为何将以太网集线器分为10M 100M及10M 100M自适应三种 其它局域网技术 权标总线IEEE802 4ARCNET 附加资源计算机网 100VGAnyLAN IEEE802 12 需求优先控制 demandpriority 协议它是由主集线器对所连接站点进行集中控制的一种方案集中轮询 且分不同优先级进行处理采用5B 6B编码方案 局域网的IEEE802标准 ISO和IEEE802中协议的层次结构 数据链路层 物理层 LLC子层MAC子层 物理层 ISOIEEE802网络层网络层 LLC子层和MAC子层 1 LLC帧MAC帧 LLC子层和MAC子层 2 IEEE802的协议结构IEEE802 2 LLC 802 1 3 4 5 6 9 11 12 MAC子层 物理层 LLC帧的格式 1代表组地址1代表响应 此时C中为尾帧指示位F 0代表单地址0为命令指示 P 1要求目的站响应 LLC帧的类型 C字段头几位的值表明了帧的类型N s 发送序号 N r 接收序号 0N S PN r 10SS0000PN r 11MMPMMM 信息帧 监控帧 无编号帧 LLC子层可使用的服务 LLC子层中的4类服务LLC1无须确认的无连接服务LLC2面向连接的服务LLC3有确认的无连接服务LLC4MAN使用的服务LLC2原语的使用说明参见 局域网与城域网 p94和p105图5 9 a b 网桥简介 在不同LAN间进行协议的转换使不同LAN可以相互通信根据MAC地址滤除无须转发的帧可减少碰撞几率 提高总吞吐率有利于信息安全有利于故障防护透明网桥的工作原理逆向学习算法用动态生成树避免环路造成的不确定性 网桥的工作原理 Bi Bridge B1 B2 B3 A B E D C B4 各类应用对信道容量的需求分析 纯文本 全屏幕纯文本大约为2k字节 1千汉字 人每秒约可阅读20个中文字 40字节 只需要320b s的通信容量即可支持联机阅读运动的图像 600 800 真彩色的一个屏幕约1500k字节每秒50次全屏幕数据刷新约需要600Mb s有损压缩若为400 1 要求1 5Mb s的容量 减低每秒刷新次数 可减小对容量的需求 结论 基于纯文本的应用 一般网络都能胜任 对于视频图像放送 则普通网络难以胜任 教学环境中视频图像放送的需求不多 可按照交互式教学的需要来估算对传信速率的需求 一般每2 3分钟调用一屏图文信息需要在这期间交换约12M位信息故一人平均需要占用60kb s的通信容量 两类MAC技术性能的比较 轻负荷 随机争用 开销小发信时几乎无须等待控制分配 开销大发信时要稍等待 两类MAC技术性能的比较 重负荷 随机争用 开销大难以成功地发信控制分配 信道利用率高发信时要稍等待 以太网的适用环境 在使用集线器的的广播域上诸站点通信量的总合应小于线上无冲突地全速发信时通信总量的1 3 10Mb s的以太网上各站点的总通信需求应当不大于3Mb s 100Mb s的的以太网上各站点的总通信需求应当不大于30Mb s 思考题 试述IEEE802标准的体系结构 说明随机争用式MAC方案的主要特点 分别说明生成树网桥和源选径网桥各是怎样工作的 多媒体技术对网络的要求 点播应用高通信容量不间断视频会议应用低延迟足够的通信容量不间断要求概括为 低延迟 大容量 交换机简介 1 交换功能及特点端口选择使收到的数据单元只发到目的地址所在的端口交换机利用转发表工作 靠逆向学习算法建立转发表靠硬件实现数据单元的转发多路交换连接同时传送信息 交换机简介 2 交换机的基本功能逆向学习算法 IEEE802 1d生成树10 100自适应 半双工 全双工自适应流量控制 反压IEEE802 3x交换机的可管理性SNMP RMON RMON2等 性能的调整 划分VLAN的能力根据端口 根据MAC 根据IP地址交换机的可靠性 冗余 带电插拔模块等 交换机简介 3 第二层交换基于网卡地址的交换 是最基本的 无法抑制广播风暴第三层交换根据IP地址实现的交换 能防止广播风暴第四层交换针对特定应用进程端口实现的交换 是面向应用的 可提供好的QoS 更具体的控制 使用交换机组建局域网 优点能同时接通几路通信信道缺点通信延迟比用集线器稍大 交换机能够同时接通几对通信 LAN交换机的交换技术 用高速时分制背板完成交换利用共享内存实现交换靠交换矩阵实现交换连接 端口通信容量相当线路容量 在端口只接单台计算机时该机专享此端口的通信容量通常多以全双工方式工作 若端口接另一台交换机或集线器 经该端口所接入的所有计算机共享此端口通信容量 仅有一台服务器的情景 服务器 队列 关于服务器瓶颈 成因 当交换机仅通过一个性能相同的端口接一台服务器时 通信流量集中到服务器上服务器只能先后连通每台客户机克服服务器瓶颈的方法是提高服务器与交换机间的通信容量增加服务器上的网卡 LAG 服务器接更高速的通信端口 思考题 以太网交换机有哪几种不同的交换方式 在组建局域网中能起什么作用 为充分发挥以太网交换机的作用 对交换机及网内服务器配置有何要求 两类网络的举例 对等网络的实例 Windows系统中的网上邻居客户 服务器局域网的示例 Novell公司的NetWare4 1 网上邻居 使用网络用户和某种协议可划分成工作组网络中各计算机处在平等地位由每台计算机的使用者决定机器内哪个资源可被共享 Novell的NetWare 核心是高性能的文件服务器能灵活地共享打印机有多种安全措施对服务器和客户机的配置要求较低使用IPX SPX协议能由管理员统一进行管理提供目录服务 NDS VLAN简介 1 什么是VLAN 虚拟局域网 VLAN实际是用LAN交换机组建园区网络时 利用专门的软件定义的虚拟工作组 各个组都是由一些特定站点组成的 每个组形成一个单独的 广播域 组内可直接通信原则上某些计算机可以加入不止一个VLANVLAN通常与作为成员的站点的物理位置没有直接的对应关系 VLAN简介 2 目前各种交换机所支持的划分VLAN的方法包括以下几种 按交换机端口按站点网卡地址 ListofMACaddresses 按站点IP地址 还可利用IGMP组播协议 按子网IEEE802 1Q是建立VLAN应当遵循的标准目前各厂商划分VLAN的技术不一定彼此兼容 且通常要购买专门的软件才行 思考题 试述对等网络和客户 服务器网络在功能和使用范围上的主要区别 何谓VLAN 为什么要划分VLAN 光纤通道和SAN 光纤通道 FibreChannel 融合了I O通道和通信网络两者的优点I O通道是一个点对点 或点对多点 的传输信道 简单且传输速率高通信网络是有协议软件的诸互连站点的集合 网络有灵活和广泛互连的特点光纤通道技术近年来用于中高档服务器和存储设备中 I O数据通道的特点 I O通道是一个直接的点对点或点对多点通信链路 基于硬件 且在很短的距离上高速传送数据 I O通道将数据从源设备的缓冲器传输至目的设备的缓冲器 只将用户内容从一个设备移至另一个设备而不理会数据的格式和意义 与通道有关的逻辑一般对传输管理加硬件故障检测提供最小的必须控制 I O通道一般对处理器与外围设备 例如键盘 图像设备 CD ROM和视频I O设备 之间的传输提供管理 通信网络的特点 网络是带有特定协议软件的互连访问点的集合 网络总是允许传输多种不同的数据 用软件来实现网络协议并提供流量控制 故障检测 故障恢复 网络主要在本地 城域或广域范围内的端系统之间的传输进行管理 光纤通道的作用是使 传统的外围设备连接 主机 主机互连 松耦合处理器集群 多媒体应用等这使外围设备无须紧邻主机 也不必只与一台主机相连 统一到一个多协议接口中 光纤通道结构中面向通道的设备涉及 指定把帧送到特定接口缓冲器的路径所须的数据类型与单独的I O操作相关的链路级构造支持现存I O通道结构 如小型计算机系统接口 SCSI 高性能并行接口 HIPPI等 的协议接口规范 光纤通道结构中面向网络的设备涉及 多目的地间的全多路复用光纤通道网络上任何一对端口间的对等层连接与其它连接技术互连的能力 光纤通道的设计目标 每条链路都采用两根光纤的全双工模式单根光纤的数据速率从100Mb s到800Mb s最大传输距离为10km小型插接件对距离不敏感的高利用率更灵活的连接能力高可用性和标准化能支持现有的数据通道和网络协议 光纤通道的术语 端口 Port 结点 Node 和N 端口网 Fabric 和F 端口专门连接 Dedicatedconnection 和混用 Intermix 两N 端口通过网络维持的通信链路帧 Frame 数据报 Datagram 序列 Sequence 交换 Exchange 操作 Operation 发起者 Originator 响应者 Responder 光纤通道元素和服务 结点 端系统交换元素 Switchelement 其总合就是网网是由点对点链路互连的网上任意两结点都可以利用网的服务来通信1类服务 专门连接2类服务 多路复用3类服务 数据报混合服务是专门连接的一个选项 三种基本拓扑 网 交换拓扑 利用交换机s 可扩展的网负责N 端口间的路由与差控点对点两个N结点间的直接连接环路 由网 环路结点连接成环NL 端口兼有N 端口和F 端口的功能环路上最多有126个结点 光纤通道层次 示意图 FC 0 用于指明实际接口和传输介质的特性 有4部分字节速率 介质 发送器 距离 1212 5MB s2550100 SM单模M5M6TVMITP LL长波长SLLE L长距离IS FC 1 8B 10B编码5B 6B 3B 4B 不一致控制优点简单 可靠 成本低直流分量小跳变密度大 部分携带位时钟 有检错能力 FC 2 帧 最基础的传输单元3类帧 设备数据帧 视频数据帧 直接传送视频数据 管理帧帧 序列 交换序列是由一个或多个帧组成的 单向 交换是由一个或多个序列构成的FC 2提供N端口间的传输和流控 有3类不同的服务 FC 3 通用服务 StripingHuntgroupMulticast通用服务使FC有更好的性能 SAN StorageAreaNetwork 今年是IT人最关心存储技术的一年 存储是9月中国计算机网络展览的主题SAN的主要技术是光纤通道这一技术使多个服务器可以共享大规模的存储空间 又不占用LAN的信道 避免了读取海量数据造成的网络拥塞高档服务器都提供光纤通道接口 不少机器硬盘接口就是光纤通道接口 ANSI NCITSReferences 1 FibreC