第四次课---局域网技术PPT课件.ppt

控制网络与现场总线 主讲陈青林 1 3 2局域网技术 主要内容 了解局域网的基本知识掌握各类局域网标准掌握以太网规范掌握令牌环网的工作原理掌握令牌总线的工作原理 2 一 局域网基本组成 1 局域网的定义和组成定义 局域网络中的通讯被限制在中等规模的地理范围内 例如一幢办公楼 一座工厂或一所学校 能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道 且具有较低的误码率 局域网络是专用的 由单一组织机构所使用 3 局域网 LAN特点 覆盖范围有限数据率较高误码率较低支持广播或组播数据以编址帧形式传输没有中间交换 不需要路由 传输媒体双绞线 同轴电缆 光纤 无线 用途文件管理 共享资源 拓扑结构总线型 星型 环型 树型 4 局域网的组成 网络硬件网络服务器网络工作站网络适配器网络设备传输介质网络软件网络操作系统网络协议软件网络通信软件 HUB 双绞线 5 2 网络工作站 常见的网络工作站有以下三种 l 无盘工作站和有盘工作站无盘工作站是不带硬盘和软盘驱动器的工作站 即所使用的计算机只有主机板 键盘 显示器 2 事务处理工作站和图形处理工作站图形工作站往往要进行如CAD一类的图形图像处理工作 这类工作站要求速度高 有浮点处理 内存 硬盘的容量都较大 因此该类工作站要求机器的性能较高 6 3 本地工作站和远地工作站 本地工作站 是通过传输介质和网卡直接与网络相连的工作站 它们能与网络其他节点进行高速的数据交换 远程工作站 是通过远程网桥或其他远程通讯设备连接到局域网上的工作站或终端设备 7 3 网络适配器 网络适配器 NAC 又称为网络接口卡 N C 简称网卡 它是一块可以插在PC机扩展槽上的电路板 主要由一套协议控制电路和数据缓冲存贮器组成 网卡的主要功能为 接收来自设备 工作站 服务器等 的数据 在得到介质的发送权之前 缓冲存储这些数据 按一定的格式和编码向介质发送数据 按地址扫描介质上的各个帧 并把发送到本站的帧读入到缓冲器 把缓冲器的数据送到设备 8 常用网卡有以下几种类型 1 16位ISA总线网卡系列 2 32位EISA网卡 3 PCI网卡 随着PCI总线成为微机的主流总线 且PC 总线可以从32位升级到64位 提供更高的速度 因此PCI网卡巳成为网络工作站的首选网卡 4 PCMCIA卡 移动网络的发展 笔记本电脑的普及 出现了PCMCIA卡 实现了笔记本电脑与物理网络的连接 9 二 局域网协议 1 局域网参考模型 10 2 IEEE802局域网标准 这些标准包括 IEEE802 1A综述及体系结构IEEE802 1B寻址 网间互连及网络管理IEEE802 2逻辑链路控制LLCIEEE802 3CSMA CD访问控制方法及物理层技术规范IEEE802 4令牌总线访问控制方法及物理层技术规范IEEE802 5令牌环网访问控制方法及物理层技术规范IEEE802 6大城市地区网络访问控制方法及物理层技术规范IEEE802 7宽带网规范IEEE802 8光纤网规范 11 IEEE802局域网标准 12 IEEE802主要的LAN标准 802 3CSMA CD以太网协议802 4TokenBus令牌总线802 5TokenRing令牌环802 6分布队列双总线DQDB MAN标准FDDI光纤分布数据接口FDDI 13 3 IEEE802结构 LLC逻辑链路控制协议继承了HDLC的帧结构数据链路层的上子层MAC介质访问控制协议解决共享介质的竞争使用问题数据链路层的下子层实现帧的寻址和识别 完成帧检测序列产生和检验包含有CSMA CD 令牌总线 令牌环和时间片分隔环四种 14 IEEE802结构 协议数据单元和HDLC类似DSAP和SSAP是LLC所使用的地址 标明接收和发送数据计算机的协议堆栈 15 3 2 2以太网规范与组网方法 70年代中期由Xerox提出 数据率为2 94M 称为Ethernet后来由DEC IntelandXerox DIX标准 改进为10M标准1985年定名为IEEE802 3 即使用1坚持的CSMA CD协议的LAN标准 数据率从1M到10M 支持多种传输媒体Ethernet是指基带总线LAN 16 一 传输协议与访问控制方法 传输协议将传输介质的频带有效地分配给网上各站点的方法称为传输协议 即介质访问控制协议 基带总线网最早的传输协议是纯ALOHA协议 经多次改进产生了时间片ALOHA协议 载波侦听多重访问协议 CSMA 和带冲突检测的载波侦听多重访问 CSMA CD 协议等 以太网采用的是CSMA CD协议 17 l 纯ALOHA协议 早期ALOHA系统采用完全随机的方法访问信道 称之为纯ALOHA协议 其基本思想是 用户如果想要发送数据随时可以发送 广播信道上的每个站都可以监听到信道上的信息 问题 由于纯ALOHA的随意性 各站点发送帧冲突的机会很大 导致效率低下 理论计算不足18 18 2 时间片ALOHA 1972年Robert发表了一种能把ALOHA系统吞吐率提高一倍的办法 他的建议是把时间划分成离散的时间间隔 称之为时槽 每段间隔对应于一帧 所有站点均配备一同步时钟用以指示时槽的开始 这就是我们称之为时间片ALOHA的协议 时间片ALOHA协议将一个连续的竞争系统变成一个离散的竞争系统 其效率提高一倍 达37 19 3 载波侦听多重访问协议 CSMA IEEE802 3定义的载波侦听多重访问协议CSMA CarrierSenseMultipleAccess 就是一种具有信道检测功能的传输控制系统 其检测手段称为 载波侦听 l l一坚持CSMA 当一个站点要传送一批数据时 它首先侦听信道 看其是否空闲 如果信道忙则该站点等待 并继续侦听一直到信道空闲为止 当监听到信道空闲时 就立即发送一帧 如果发生冲突则等待一段随机时间再重新开始 此协议取名为l一坚持 是因为只要侦听到信道空闲就立即发送帧 即发送帧的概率为l 20 2 非一坚持CSMA 当一个站点要传送一批数据时 也是首先侦听信道 如果信道空闲就立即开始发送数据 但如果信道正在使用中 该站就不再继续侦听信道何时变为空闲 而是等待一个随机时间 再开始侦听信道 3 P一坚持CSMA 当一个站点准备发送数据时 它便开始侦听信道 如果信道忙 就坚持侦听直至下一时间片 如果信道空闲 则以概率P发送数据 而以概率 l一P 把发送信息的机会推迟到下一个时间片 若下一个时间单位仍然空闲 便再次或以概率P发送或以概率 l一P 推迟发送 这个过程一直持续下去 直到数据被发送出去 或有其他站发送而检测到信道忙为止 该协议比较适合于分时间片的信道 21 4 带冲突检测的载波侦听多重访问 CSMA CD 协议 CSMA CD协议 IEEE802 3 发送前监听总线 如介质空闲则发送 如介质忙则等待一随机间隔和重试 各站在发送时同时检测冲突 一旦发现冲突 立即停发 并向总线上发一串阻塞信号 让各站知道 冲突后采用二进制指数退避算法 初始L 2 退避间隔取1 L的随机数 冲突后L加倍 设置最大重传次数 重传时间 t crc为计时单位 r为随机数0 r L超过最大重传次数 不再传 报告出错 22 二 以太网的帧结构 23 三 以太网规范 Ethernet技术规范 拓扑结构 总线式 传输速率 10Mbps 存取方式 CSMA CD 最大工作站数 1024 最大传输距离 2 5km 使用中继器 报文长度 64 1518字节 不计报文前的同步序列 24 四 以太网组网方法 不同标准10Base 5 粗缆Ethernet10Base 2 细缆Ethernet10Base T 双绞线10Base F 光缆10Broad36 宽带快速EthernetIEEE802 3u 100BaseTX 100BaseT4 100BaseF等 25 1 10Base 5以太网 分插头 插入电缆收发器 发送 接收 冲突检测 电气隔离 超长控制AUI 连接件单元接口用于骨干网 最大段长度500米每段最多站点数100 两站点间最小距离2 5米倍数收发器电缆的最大长度为50米 网络最大跨度2 8公里 粗缆为RG 11 阻抗50欧姆 vampiretap BNC端子 收发器 78欧姆的6对屏蔽双绞线 NIC 50欧姆终端器 15针的DlX AU 接口 26 2 廉价的10Base 2以太网 细缆 BNC接头 NIC BNCT型接头无需插入电缆 段最大长度185m每段最多站点数30 两站点间最短距离0 5m 网络最大跨度925m 最多5段 段间用中继器连接 27 硬件标准 l 细缆的特征阻抗必须为50欧姆 最小传播速率为光速的65 2 终端器为50欧姆的BNC终端器 50欧姆的电阻是直流电阻 误差值应为50欧姆 O l 另外终端器还必须能承受至少0 5W的有功功率 3 10BASE 网卡包括用来在介质系统上发送和接收帧的电子器件 它还配置了一个内置式的10BASE 2收发器和细缆BNC连接器 用来与细缆直接连接 10BASE 2比较适合连接一小组计算机 或者机器都集中在一个房间的小型局域网 由于价格较低 组网容易 且10Mbps带宽也足以支持几十台工作站同时工作 10BASE 2以太网曾被广泛应用 28 3 10Base T NIC Hub 集线器 相当于多端口转发器用于办公室LAN拓扑结构为星形 逻辑上仍然是总线形 转发器 中继器的作用 扩充信号传输距离 将信号放大并整形后再转发 消除信号传输的失真和衰减 物理层设备 hub 段最大长度100m 组网规则 l 用双绞线 UTP 将工作站连接到集线器上 2 双绞线插头 工作站网卡和集线器的插座均采用RJ 45标准接口 3 集线器连接站点的数量取决于集线器端口数 目前的HUB最多有64个端口 4 介质上最多只允许接入4个中继器从而构成5个网段 每个网段可长500m 全网最大直径达2500m 其中两头和中间的网段可以连入节点 另两个网段除作为中继器间的链路外 不能接入任何节点 29 1OBASE T硬件标准 l 最低采用3类双绞线 其特征阻抗为l00欧姆 它有两对电线 每对电线中的两根线在整个长度上都必须绞合在一起 2 RJ 45型连接器是一个8针连接器 双绞线中的两对电线只使用其中的4根针 3 10BASE T网卡配有内置式的10BASE T收发器和RJ 45型插口连接器 用来与双绞线直接连接 4 集线器与集线器之间可使用同轴电缆互连 其最大长度为100米 30 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据需要寻址机制来标识目的站点只有一个站点将收到的帧复制下来 其他站点都将丢弃帧 IEEE802 3 Ethernet操作 31 l 共享介质的性能 在共享介质的局域网中 随着网上用户数的增加 竞争可用带宽部分的节点数目也相应增加 其结果是 随着工作站数目的增加 传输数据的能力下降 每个用户都会遭到较大的延迟 例如 一个具有五个工作站 可用带宽为10Mbps的以太网 在工作站同时工作的情况下 每一个工作站平均得到可用带宽的五分之一 即2Mbps的带宽 如果工作站的数目增大到10个 每个工作站得到的可用带宽大约下降到十分之一 即lMbps 所以 工作站数量增加一倍 可用的带宽就降低百分之五十 32 解决问题的技术和方法主要包括 采用新的编码和信令 在共享介质上提供更大的带宽 使用优先级 以允许某些节点在其它节点之前传送 高优先级的 信息 对每个节点提供预先确定了的带宽 在共享的局域网分段上 对允许的节点数目加以限制 33 2 带宽的使用效率 在选择高速局域网技术时 对单个的节点来说 可用带宽的大小仅仅是考虑的一个因素 另一个因素是网络使用其可用带宽的效率如何 一般来说 网络开销可用下列的公式来计算 网络开销 l00 x 头的大小 尾的大小 帧的大小 例如 ATM网络使用53个字节的信元 53为一个帧的大小 其中包含了48个字节的数据 5个字节的信元头 则 ATM开销 l00X5 53 9 43 FDDI网的一个帧大小为4478字节 包含22个字节的头和尾 故FDDI开销 l00X22 4478 0 49 34 4 高速网络技术简介 高速网络技术可分成两大类 共享介质类型和非共享介质类型 共享介质类型的高速网络技术是在现有共享介质网络技术的基础上 进一步提高数据传输率的网络技术 共享介质类型的高速网络技术主要包括三种 在以太网基础上发展起来的l00BASE T和l00TG AnyLAN 以及在令牌环网基础上发展起来的光纤分布数字网络FDDI这三种网络的数据传输率都是l00Mbps 也都采用了共享介质技术和可变帧长技术 35 交换式802 3LAN 问题 站点数的增加将导致LAN的性能降低解决方法 交换式LAN 中心设备为一个交换机 具有高速背板 交换机具有多个连接端口 支持10Base T工作原理 站点将帧发送到所连接的端口上 交换机检测目的站点所联端口空闲否 若是 则将帧复制到相应的端口 否则 缓存 待目的端口空闲后发送 NIC Switchhub 36 一 交换机原理 美国Kalpana公司于1994年底借鉴超级路由器中所采用的交换技术最先推出以太网络交换机 称为EtherSwitch该以太网络交换机采用了如下原理 检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC 介质访问 层地址 然后与系统内部的动态查找表进行比较 如果该数据包的MAC层地址不在查找表中 则将该地址加入到查找表 并将数据包发送给相应的目的地端口 两种交换方式 直通 CutThrough 方式 存储转发 StoreandForward 方式 37 1 直通方式 在输入端口检测到一个数据包后 交换机的控制器从其包头中取出目的地址 通过内部的动态查找表换算成相应的输出端口 在输入和输出交叉处 接通 然后把数据包转发到相应的输出端口 这样就完成了交换工作 38 2 存储转发方式 以太网络交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来 先检查CRC是否正确 并过滤掉包错误 确定包正确后 取出目的地址 通过查找表转换为想要发送的输出端口地址 然后将该包发送出去 39 4 8快速以太网 两种思路 保留原来的802 3协议 提高数据率 IEEE802 3u设计一种新的MAC协议 IEEE802 12 IEEE802 3u基本思想 帧结构 接口 协议与802 3相同 位时间从100ns减少到10ns 传输媒体 双绞线 100BASE T 光纤 100BASE F HUB 共享式 交换式 10 100M 1 i j n 10 100M HUB 40 4 9Gigabit 千兆以太网 传输媒体及段最大长度 UTP5 100m 多模光纤 500m 单模光纤 4km 帧结构 接口 协议与802 3相同 增加了一些新特性3级网络结构 41 IEEE802 5令牌环网 令牌环网 通过使用令牌避免冲突 令牌依次传递 收到令牌的站发送一帧 然后交出令牌 点到点的链路 特别适合光纤 潜在问题 一个站点故障 整个网瘫痪 42 令牌环网的运行过程 A B C D 收到令牌 有数据要发给D 不是我的 原样送出 不是我的 原样送出 是我的 接收设标志后送出 D收到了 令牌送出 43 令牌环网的数据帧传输时间计算 44 IEEE802