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计算机网络 第5章局域网技术 5 1局域网概述 什么是局域网 局域网 LAN 是一种在有限地理范围内将许多PC机及各种设备互联在一起实现数据传输和资源共享的计算机网络 局域网的特点 1 地理分布范围较小 2 数据传输速率高 3 误码率低 4 以PC机为主体 5 一般包含OSI参考模型中的低三层功能 即涉及通信子网的内容 6 协议简单 结构灵活 建网成本低 周期短 便于管理和扩充 局域网的发展 80年代局域网产品 三足鼎立 Ethernet 802 3 TokenBus 802 4 TokenRing 802 590年代 Ethernet一支独秀因素 技术 成熟策略 开放市场 高性能价格比 网络设备 服务器工作站网络适配器中继器集线器网桥交换机 网络适配器 网卡 工作站与网络的接口设备 用于发送和接收数据帧 除作为工作站连接入网的物理接口外 还控制帧的发送和接收分ISA EISA和PCI三种类型 网卡的功能 数据的封装与解封发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部 成为以太网的帧 接收时将以太网的帧剥去首部和尾部 然后送交上一层 链路管理主要是CSMA CD协议的实现 编码与译码即曼彻斯特编码与译码 网络适配器 网卡 网卡有AUI接口 粗缆接口 BNC接口 细缆接口 和RJ 45接口 双绞线接口 三种接口类型 CPU 高速缓存 存储器 I O总线 计算机 至局域网 网络接口卡 网卡 串行通信 并行通信 网络适配器 网卡 中继器 用于连接同类型的两个局域网或延伸一个局域网 当我们安装一个局域网而物理距离又超过了线路的规定长度时 就可以用它进行延伸 集线器 集线器 网卡 工作站 网卡 工作站 网卡 工作站 双绞线 网桥 网桥 Bridge 也称为桥接器 是连接两个局域网的存储转发设备 用它可以使完全具有相同或相似体系结构网络系统的连接 这样不但能扩展网络的距离或范围 1990年问世的交换式集线器 switchinghub 可明显地提高局域网的性能 交换式集线器常称为以太网交换机 switch 或第二层交换机 表明此交换机工作在数据链路层 以太网交换机通常都有十几个端口 因此 以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥 可见交换机工作在数据链路层 多端口网桥 以太网交换机 交换机 数据交换机 Switch 也叫交换式集线器 它通过对信息进行内部处理后转发至指定端口 具备自动寻址能力和交换作用 交换机不懂得IP地址 但它可以 学习 MAC地址 并把其存放在内部地址表中 通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径 使数据帧直接由源地址到达目的地址 局域网的拓扑 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 1 星形拓扑结构 星形拓扑结构 在局域网的星型拓扑讨论中 我们应该注意 逻辑结构与物理结构的关系 普通的共享介质方式局域网中不存在星型拓扑 只有在出现交换局域网 SwitchedLAN 之后 才真正出现了物理结构与逻辑结构统一的星型拓扑构型 优点 1 结构简单 便于管理 2 控制容易 组网简单 3 连接的故障不影响整个网络 4 集中控制 故障的检测和隔离方便 缺点 1 对中央节点的可靠性要求很高 2 费用比较高 要大量的电缆 维护 安装难 3 扩展困难 加电缆和中央节点的接口 2 总线型拓扑结构 总线型拓扑构型 总线型局域网的介质访问控制方法采用的是 共享介质 方式 所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上 总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线 所有结点都可以通过总线传输介质以 广播 方式发送或接收数据 因此出现 冲突 collision 是不可避免的 冲突 会造成传输失败 必须解决多个结点访问总线的介质访问控制 MAC MediumAccessControl 问题 总线型拓扑构型 介质访问控制方法要解决以下几个问题 该哪个结点发送数据 发送时会不会出现冲突 出现冲突怎么办 总线型拓扑的优点是 结构简单 实现容易 易于扩展 可靠性较好 缺点 1 故障诊断困难 2 故障隔离比较困难 3 实时性不强 4 总线长度有限制 扩展麻烦 3 环形拓扑结构 结点使用点 点线路连接 构成闭合的物理的环型结构 环中数据沿着一个方向绕环逐站传输 多个结点共享一条环通路 环形拓扑结构优点 1 路径选择简单 2 节省线路 3 实时性好 4 自愈性 缺点 1 对环接口要求高 2 故障的诊断困难 3 网络扩展困难 树形拓扑结构 树形拓扑结构 1 易于扩展 2 故障隔离较容易 局域网的分类 1 拓扑结构 2 传输介质 3 访问传输介质方法 4 网络操作系统 局域网的特性 局域网的特性主要涉及拓扑结构 传输介质和介质访问控制 MAC 3个方面 这三个方面在很大程度上决定了传输信息的形式 通信速率和效率 信道容量以及网络所支持的服务类型 介质访问控制 介质访问控制是指在局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法 根据介质访问控制的方法可以将局域网分为以太网 令牌网等 5 3局域网的体系结构 电气和电子工程师协会 InstituteofElectronicalandElectronicsEngineers IEEE 于1980年2月专门成立了IEEE802委员会 专门制定局域网的国际标准 即著名的IEEE802参考模型 数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准 802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层媒体接入控制MAC MediumAccessControl 子层 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输介质无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 IEEE802参考模型 LAN RM 局域网参考模型和OSI参考模型的对应关系 局域网对LLC子层是透明的 局域网 网络层 物理层 站点1 网络层 物理层 数据链路层 站点2 LLC子层看不见下面的局域网 以后一般不考虑LLC子层 由于TCP IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2而不是802 3标准中的几种局域网 因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC 即802 2标准 的作用已经不大了 很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议 LLC帧和MAC帧的关系 IEEE802标准 逻辑链路控制子层LLC 功能LLC层为网络层提供服务 通过SAP 建立 释放逻辑连接差错控制帧序号处理 LLC提供的服务 LLC1 无应答 确认 的无连接服务 LLC2 面向连接服务 LLC3 应答 确认 的无连接服务 LLC4 高速传送服务 LLC 介质访问控制子层 MAC MAC是数据链路层上特有的一个子层 用于解决共享信道的分配问题 IEEE802已规定的MAC有CSMA CD 令牌总线 令牌环等 MAC子层要完成MAC帧的封装 解封和介质访问控制两个主要功能 MAC地址 MAC地址是主机在网络中的站地址或物理地址 硬件地址 48bit的全球地址 固化在网卡的ROM中严格的讲MAC地址用该是一个站标识符 MAC地址与IP地址的区别 IP地址是指Internet协议使用的地址 32位 而MAC地址是Ethernet协议使用的地址 每个Ethernet网卡生产厂家必须向IEEE组织申请一组MAC地址 在生产网卡时在网卡的串行EEPROM中写入一个唯一的MAC地址 每个Internet服务提供商 ISP 必须向有关组织申请一组IP地址 然后一般是动态分配给其用户 Ethernet地址结构 Ethernet地址 ManufactureID NICID24bit24bit公司 Cisco00 00 0cNovell00 00 1B00 00 D83Com00 20 AF00 60 8CIBM08 00 5A典型的Ethernet地址 00 60 8C 01 28 12000000001010000010001100000000010010100000010010Ethernet地址具有惟一性 取决于你所使用的网卡 网卡上的硬件地址 路由器 1A 24 F6 54 1B 0E 00 00 A2 A4 2C 02 20 60 8C C7 75 2A 08 00 20 47 1F E4 20 60 8C 11 D2 F6 路由器由于同时连接到两个网络上 因此它有两块网卡和两个硬件地址 5 4IEEE802 3标准系列和以太网 夏威夷大学的ALOHA网BobMetcalfe3Com公司 5 4IEEE802 3标准和以太网 续 以太网 Ethernet 最初是美国Xerox 施乐 公司和STANFORD大学PaloAlto研究中心合作于1975年推出的一种局域网 1980年9月 DEC Intel Xerox三公司合作公布Ethernet物理层和数据链路层的规范 也称DIX规范 IEEE802 3标准对应于OSI RM模型的最低两层 详细描述了总线拓扑结构的CSMA CD介质访问控制方法 物理收发信号 PLS 子层的服务规范以及物理层的逻辑 电气和机械特性等 5 4IEEE802 3标准和以太网 续 两个以太网标准 DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品 以太网 的规约 IEEE的802 3标准 DIXEthernetV2标准与IEEE的802 3标准只有很小的差别 因此可以将802 3局域网简称为 以太网 严格说来 以太网 应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网 以太网的广播方式发送 C D A E 匹配电阻 用来吸收总线上传播的信号 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有D接受B发送的数据 以太网的广播方式发送 续 总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号 由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致 因此只有D才接收这个数据帧 其他所有的计算机 A C和E 都检测到不是发送给它们的数据帧 因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信 为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式 即不必先建立连接就可以直接发送数据 以太网对发送的数据帧不进行编号 也不要求对方发回确认 这样做的理由是局域网信道的质量很好 因信道质量产生差错的概率是很小的 IEEE802 3标准与10Mbit s以太网 IEEE802 3定义了基带传输和宽带传输两大类标准 IEEE802 3帧格式 前导码字段P占7个字节 每个字节的比特模式为 10101010 用于实现收发双方的时钟同步 帧起始定界符字段SFD占1个字节 其比特模式为 10101011 它紧跟在前导码后 用于指示一帧的开始 IEEE802 3帧格式 IEEE802 3的字段长度在0 1500之间 为使CSMA CD协议正常操作 需要维持一个最短帧长度 帧校验序列FCS字段是32位 即4个字节 的循环冗余码 CRC 其校验范围不包括前导字段P及帧起始定界符字段SFD CSMA CSMA CD原理 总线争用技术可分为载波监听多路访问CSMA和具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA CD两大类 IEEE802 3标准采用CSMA CD协议 CSMA CSMA CD原理 多路访问 表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上 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 总线上并没有什么 载波 因此 载波监听 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号 CSMA 载波监听多路访问CSMA的技术 也称做先听后说LBT ListenBeforeTalk 要传输数据的站点首先对介质上有无载波进行监听 以确定是否有别的站点在传输数据 若信道空闲 传送 若忙 避让一段时间再尝试 避让算法 非坚持 一旦监听到信道忙 就不再监听下去 而是延迟一段随机时间后重新再监听优点 减少了冲突的概率缺点 增加了信道空闲时间 数据发送延迟增大 避让算法 2 1 坚持算法 1 如果介质空闲的 则可以立即发送 2 如果介质是忙的 则继续监听 直至检测到介质是空闲 立即以概率1发送 3 如果有冲突 在一段时间内未收到肯定的回复 则等待一随机量的时间 重复步骤 1 2 优点 减少了信道空闲时间缺点 增加了发生冲突的概率 避让算法 3 P 坚持算法 1 如果介质是空闲的 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 2 延迟一个时间单位后 再重复步骤 1 3 如果介质是忙的 继续监听直至介质空闲并重复步骤 1 CSMA CD CSMA无法杜绝冲突问题冲突检测 CD 技术检测时间要多长 冲突 碰撞 检测 冲突检测 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小 当几个站同时在总线上发送数据时 总线上的信号电压浮动值将会增大 互相叠加 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时 就认为总线上至少有两个站同时在发送数据 表明产生了冲突 碰撞 检测到冲突后 在发生冲突时 总线上传输的信号产生了严重的失真 无法从中恢复出有用的信息来 每一个正在发送数据的站 一旦发现总线上出现了冲突 就要立即停止发送 免得继续浪费网络资源 然后等待一段随机时间后再次发送 冲突检测时间 CSMA CD协议 A发送数据 C D A E 匹配电阻 用来吸收总线上传播的信号 匹配电阻 B E发送数据 1km A B t t 0 单程端到端传播时延记为 1km A B t t B检测到信道空闲发送数据 t 2发生碰撞 A B A B t 0A检测到信道空闲发送数据 A B t 0 A B 单程端到端传播时延记为 4 争用期 最先发送数据帧的站 在发送数据帧后至多经过时间2 两倍的端到端往返时延 就可知道发送的数据帧是否遭受了冲突 以太网的端到端往返时延2 称为争用期 或冲突窗口 经过争用期这段时间还没有检测到冲突 才能肯定这次发送不会发生冲突 冲突发生后怎么办 二进制指数类型退避算法 truncatedbinaryexponentialtype 规则对每个数据帧 当第一次发生冲突时 设置一个参量L 2 退避间隔取 到L 个时隙 时间片 中的一个随机数 1个时隙等于介质最大传播时延的两倍 1个争用期 当数据帧再次发生冲突 又将参量L加倍 设置一个最大重传次数 超过该次数 则不再重传 并报告出错 例 在1个时隙的开始处 两个CSMA CD站点同时发送1个帧 求前4次都冲突的概率是多少 第1次冲突概率为1第1次冲突后 A和B都在等待时隙0和1之间选择 选择有4种组合0001101100和11将再次冲突 冲突概率为0 5第2次冲突后 A和B等待时间将在0 1 2 3之间选择00010203101112132021222330313233冲突概率0 25第3次冲突后 A和B等待时间将在0 1 2 3 4 5 6 7之间选择冲突概率0 125前4次都冲突的概率1 0 5 0 25 0 125 0 015625 IEEE802 3物理层规范 一种简明的表示方法 数据传输率 Mpbs 10Base5 粗缆以太网 10Base2 细缆以太网 10Base T 双绞线以太网 10Base F 光纤以太网 10BROAD36 10BASE5组网技术 5 4 3 原则所谓 5 4 3规则 是指在10M以太网中 网络总长度不得超过5个区段 4台网络延长设备 且5个区段中只有3个区段可接网络设备 即 一个网段最多只能分5个子网段 一个网段最多只能有4个中继器 一个网段最多只能有三个子网段含有PC 以太网的最大作用距离 250m 750m 网段1 转发器 网段2 网段3 转发器 转发器 转发器 细缆以太网10BASE2 遵循5 4 3原则用更便宜的直径为5mm的细同轴电缆 特性阻抗仍为50欧姆 可代替粗同轴电缆 两个相邻BNC T型接头之间的最小距离为0 5米 每段最多支持30个结点 星形网10BASE T 不用电缆而使用无屏蔽双绞线 每个站需要用两对双绞线 分别用于发送和接收 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备 叫做集线器 hub 集线器使用了大规模集成电路芯片 因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了 以太网在局域网中的统治地位 10BASE T的通信距离稍短 每个站到集线器的距离不超过100m 这种10Mb s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现 既降低了成本 又提高了可靠性 10BASE T双绞线以太网的出现 是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑 它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础 集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作 因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网 各工作站使用的还是CSMA CD协议 并共享逻辑上的总线 集线器很像一个多端口的转发器 工作在物理层