第一章：局域网概述

局域网技术与组网工程 第一章局域网概述 2020年4月24日 主要内容 1 1网络及局域网概述1 2局域网的组成 分类1 3网络体系结构1 4IEEE802参考模型及网络协议1 5本章小结1 6习题与实践 2020年4月24日 本章学习目标 了解网络及局域网的概念 功能 组成及分类熟悉网络体系结构 局域网的参考模型 介质访问控制方式和常用局域网协议 2020年4月24日 1 1一 网络的起源与发展 ARPAnetARPAnet 高级研究计划署网络 AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork 是世界上第一个计算机网络 出现在20世纪60年代后期 由美国国防部资助 其第一个节点于1969年在加利福利亚大学洛杉矶分校安装 最终发展成为今天的Internet 2020年4月24日 计算机网络的发展 宽带化 综合化 数字化网络 第一代 第二代 第三代 第四代 NetworkHistory 计算机 计算机网络 开放式标准化网络 面向终端的计算机网络 2020年4月24日 面向终端的计算机网络 特点 以单台计算机为中心将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上终端都不具备自主处理能力存在问题 中心计算机负担重 通信费用高 2020年4月24日 计算机 计算机网络 多台计算机通过通信线路连接起来没有主从关系 典型是ARPAnet网 与第一代的区别 这里的多台计算机都具有自主处理能力 缺点 没有统一的网络体系结构 无法实现更大范围的信息交换和共享 2020年4月24日 在第二代网络的基础之上 重视网络体系结构和协议标准化的研究 建立全网统一的通信规则 用通信协议软件来实现网络内部及网络与网络之间的通信 通过网络操作系统 对网络资源进行管理 极大的简化了用户的使用 使计算机网络对用户提供透明服务 第三代计算机网络是开放式标准化网络 它具有统一的网络体系结构 遵循国际标准化协议 标准化使得不同的计算机网络能方便地互联在一起 开放式标准化网络 特征 网络体系结构的形成和网络协议的标准化 开放系统互连参考模型 OSI 也称7层模型典型代表Internet TCP IP协议 2020年4月24日 宽带化 综合化 数字化网络 计算机的发展已进入以网络为中心的时代 发展前景 高速化多媒体网络技术宽带网络技术智能化 电话被叫寻呼 标准化 电话被叫寻呼的特征是 当使用该业务的电话 包括固定电话和小灵通 无人接听时 该呼叫信息 包括主叫 被叫 呼叫时间等 将被以短信的形式发送到用户指定的移动终端 手机或小灵通 上 2020年4月24日 NGN 2020年4月24日 1969年 Internet起源于美国国防部建立的ARPANET网 AdvancedResearchProjectsAgency 高级研究项目机构网络 是用于军事实验的网络 1984年 ARPANET分解成两部分 民用科研网 ARPANET 和军用计算机网络 MILNET 1986年 美国国家科学基金会在美国政府的资助下 租用了电信公司的通信线路 组建了一个新的Internet骨干网 NSFNET NationalScienceFoundation 美国国家科学基金会网 NSFNET接管ARPANET并改名Internet Internet的起源与发展 2020年4月24日 美国国家科学基金会网用以连接当时的6大超级计算机中心和美国的大专院校学术机构 该网络由美国13个主干结点构成 主干结点向下连接各个地区网 再连到各个大学的校园网 采用TCP IP作为统一的通信协议标准 2020年4月24日 1989年 ARPANET解体 同时NSFNET对外开放 从而成为Internet最重要的通信骨干网络 1991年以前 Internet被严格限制在科技 教育和军事领域 1991年以后才开始转为商用 Internet在美国是为了促进科学技术和教育的发展而建立的 1994年以来 利用Internet进行商业活动成为世界经济的一大热点 可以说Internet的普及应用是人类社会由工业社会向信息社会发展的重要标志 1996年 提出建设下一代因特网的计划 第二代因特网的研究重点是网络扩展设计 端到端的服务质量 QoS 和安全性三个方面 是又一次以教育科研为导向 瞄准Internet的高级应用 是Internet更高层次的发展阶段 2020年4月24日 Internet在中国的发展1987年 中国科学院高能物理研究所首先实现了接入互联网 1988年 实现了与欧洲和北美地区的E mail通信 1994年3月 中国作为第71个国家级网正式加入Internet 同年5月在中国科学院高能物理研究所实现连网 1996年 Internet真正在我国形成声势 2020年4月24日 中国互联网络的发展 第一个阶段与INTERNET电子邮件的连通 2020年4月24日 Internet在中国的发展大致可以分为两个阶段 第一阶段是1987年至1993年 我国的一些科研部门通过与Internet联网 与国外的科技团体进行学术交流和科技合作 主要从事电子邮件的收发业务 第二阶段是1994年以后 以中科院 北大和清华为核心的 中国国家计算机网络设施 TheNationalComputingandNetworkingFacilityofChina 简称NCFC 通过TCP IP协议和Internet全面连通 从而获得了Internet的全功能服务 NCFC的网络中心的域名服务器作为中国最高层的网络域名服务器 是中国网络发展史上的一个里程碑 2020年4月24日 1 1二 网络的概念 计算机网络 Network 是将处在不同地理位置且相互独立的计算机或设备 通过传输介质和网络设备按照特定的结构和协议相互连接起来 利用网络操作系统进行管理和控制 从而实现信息传输和资源共享的一种信息系统 计算机网络是计算机技术与通信技术发展的结晶 并在用户需求 应用 的促进下得到进一步地发展 2020年4月24日 1 1三 计算机网络的功能 1 数据通信 1 传输文件 2 使用电子邮件 E mail 2 资源共享 1 共享硬件资源 2 共享软件资源 3 共享数据资源 3 分布与协同处理4 提高计算机系统的可靠性和可用性 2020年4月24日 1 1四 计算机网络的组成要素 计算机网络是由各种硬件组件和软件组件组成 硬件组件包括 包含网卡的计算机和服务器 打印机 绘图仪 MODEM等各种外部设备 中继器 集线器 交换机 网桥 路由器 无线AP或无线路由等中间设备 同轴电缆 双绞线 光纤 卫星天线等传输介质 软件组件包括 网络操作系统 网络和通信协议 各种应用软件等 2020年4月24日 2020年4月24日 1 1五 网络的分类 按照地理范围分类按照管理方式分类按照数据传输方式分类 2020年4月24日 按照地理范围分类 局域网 LocalAreaNetwork LAN 覆盖范围一般不超过数十公里 通常是一幢建筑物内 相邻的几幢建筑物之间或者是一个园区的网络 广域网 WideAreaNetwork WAN 覆盖范围通常为数百公里到数千公里 甚至数万公里 可以是一个地区或一个国家 甚至世界几大洲或整个地球 城域网 MetropolitanAreaNetwork MAN 覆盖的地理范围介于局域网和广域网之间 通常为数十公里到数百公里的一座城市内 2020年4月24日 广域网 城域网以及局域网的关系 2020年4月24日 按照管理方式分类 对等网 PeertoPeer 通常是由很少几台计算机组成的工作组 对等网采用分散管理的方式 网络中的每台计算机既作为客户机又可作为服务器来工作 每个用户都管理自己机器上的资源 客户机 服务器网 Client Server 网络的管理工作集中在 运行特殊网络操作系统服务软件的计算机上进行 这台计算机被称为服务器 它可以验证用户名和密码的信息 处理客户机的请求 而网络中其余的计算机则不需要进行管理 而是将请求通过转发器 Redirector 发给服务器 2020年4月24日 2020年4月24日 按照数据传输方式分类 广播网络 BroadcastingNetwork 网络中的计算机或设备通过一个共享的通信介质进行数据传播 所有节点都会收到任何节点发出的数据信息 这种传输方式主要应用于局域网中 广播网络中有三种传输类型 单播 组播和广播 点对点网络 PointtoPointNetwork 网络中的计算机或设备以点对点的方式进行数据传输 并且两个节点间都可能会有多条单独的链路 这种传播方式主要应用于广域网中 2020年4月24日 2020年4月24日 有线网 采用同轴电缆 双绞线 光纤等物理介质来传输数据的网络 按通信介质分类 无线网 采用卫星 微波 激光等无线形式传输数据的网络 2020年4月24日 按网络的拓扑结构分类 拓扑结构 什么是拓扑结构呢 2020年4月24日 计算机网络的拓扑结构 拓扑 Topology 是从图论演变而来的 是一种研究与大小形状无关的点 线 面特点的方法 在计算机网络中抛开网络中的具体设备 把工作站 服务器等网络单元抽象为 点 把网络中的电缆等通信介质抽象为 线 这样计算机网络结构就抽象为点和线组成的几何图形 人们称之为网络的拓扑结构 网络拓扑结构对整个网络的设计 功能 可靠性 费用等方面有着重要的影响 2020年4月24日 总线型网络拓扑结构 终接器 终接器 工作站 工作站 工作站 工作站 2020年4月24日 星型网络拓扑结构 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 集线器 2020年4月24日 环型网络拓扑结构 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 2020年4月24日 树型网络拓扑结构 工作站 工作站 工作站 工作站 2020年4月24日 网型网络拓扑结构 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 工作站 2020年4月24日 混合型网络拓扑结构 2020年4月24日 按网络的传输速率分类 传输速率 10M网 100M网 1000M网 2020年4月24日 按网络的操作系统分类 操作系统 WindowsNT网 UNIX网 LINUX网 2020年4月24日 按传输带宽分类 基带网 基带网中传送的是数字信号 常见的基带网有以太网 令牌环等 10 100Base T 宽带网 宽带网中传送的一般是模拟信号 2020年4月24日 1 1六 局域网概述 局域网的定义IEEE的定义 局域网络中的通信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 由单一组织机构所利用 2020年4月24日 局域网的主要特征局域网是限定区域的网络限定区域的数值没有太大意义 一个功能上相对独立 组织上相对封闭的空间 企业大楼 学校园区 局域网具有较高的数据传输速率误码率低局域网的线路是专用的 1 1六 局域网概述 2020年4月24日 局域网的功能资源共享硬件资源共享软件资源共享数据库共享数据传送和电子邮件提高计算机系统的可靠性易于分布处理 1 1六 局域网概述 2020年4月24日 局域网的技术优势 硬件成本下降 处理能力提高扩充性强 应用软件丰富可靠性 容错性增强可以解决复杂的问题 1 1六 局域网概述 2020年4月24日 1 2一 局域网的组成 某高校网络拓扑图 南区 北区和西区局域网 通过光缆 租用裸光纤 将三个分校区连接成校园网 2020年4月24日 局域网的组成网络服务器提供各种网络服务 如文件服务 Web服务 FTP服务 E mail服务 数据库服务 打印服务和流媒体播放服务等文件服务器 应用程序服务器 通信服务器工作站通信设备网卡 传输介质和网络互连设备等网络软件系统协议软件 通信软件 管理软件 网络操作系统和网络应用软件 1 2一 局域网的组成 2020年4月24日 分类的原因 组网问题管理模式操作系统协议拓扑结构分类目的解决问题 需要从不同的角度给出方案 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按局域网的规模分类小型局域网中型局域网大型局域网 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按局域网的规模分类小型局域网 联网计算机数量在20台 50台之间技术复杂程度低 构造比较简单 如不必进行子网划分 不必实施三层交换等对技术人员要求比较低 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按局域网的规模分类中型局域网 计算机在数百台左右技术复杂程度居于中等 连网结构较复杂对技术人员技术水平要求较高 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按局域网的规模分类大型局域网 数量数百台甚至上千台技术复杂程度高 构造复杂 技术问题多 如高性能网络主干 冗余连接 多层交换等需要技术水平很高的专业技术人员来设计和实施 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按传输介质分类有线网络无线网络 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按传输介质分类有线网络 同轴电缆 双绞线 光纤同轴电缆 75欧姆 90欧姆双绞线 价格便宜 安装方便 但易受干扰 传输率较低 传输距离比同轴电缆短光纤 传输距离长 传输率高 抗干扰性强 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按传输介质分类无线网络 微波 红外线 无线电等目前无线通信系统主要有 低功率的无绳电话系统 模拟蜂窝系统 数字蜂窝系统 移动卫星系统 无线LAN和无线WAN等 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按传输介质分类无线网络 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按拓扑结构分类总线型拓扑结构星型拓扑结构环型拓扑结构混合型拓扑结构 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按拓扑结构分类总线型拓扑结构 各节点均连接在一条总线上各个节点地位平等 无中心节点控制公用总线上的信息多以基带形式串行传递 其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散广播式 仲裁机制基本被淘汰 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 总线型拓扑结构 2 优点结构简单 可扩充性好 使用的电缆少 且容易安装使用的设备相对简单 可靠性高使用设备成本低缺点维护难 分支节点故障查找难如果总线型拓扑结构中某一点断开 则会使用整个网络断开 在网络上的所有计算机都不能通信维护成本可能较高 2020年4月24日 按拓扑结构分类星型拓扑结构 星型拓扑 网络节点由一个中心向周围发散的连接方式网络有中央节点 其他节点都与中央节点直接相连 具有隔离故障的特性集中式每个节点都有独立线路 传输数据能力强 具备同时传送数据和接收数据的能力广泛采用 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 星型拓扑结构 2 2020年4月24日 星型拓扑结构 3 优点结构简单 便于管理控制简单 便于建网网络时延较小 传输误差较低便于查错部分节点出现故障 其余部分功能正常维护成本低缺点设备成本高中心节点出现问题 整个网络瘫痪 2020年4月24日 按拓扑结构分类环型拓扑结构 环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环数据在环路中沿着一个方向在各个节点传输 信息从一个节点传到另一个节点计算机就像一个中继器 增强信号一般是双环结构 主环和备环 如电信的DDN 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 环型拓扑结构 2 优点简化了路径选择的控制实现简单 投资少传输速度较快缺点 环中节点过多时 影响信息传输速率 网络响应时间延长环路是封闭的 不便于扩充可靠性低维护难 2020年4月24日 按拓扑结构分类混合型拓扑结构 通常是指星型网络与总线型网络这两种网络结构在一个网络中的混合使用主要用于较大型的局域网 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按管理模式分类对等局域网 PeertoPeerLAN 客户 服务器局域网 Client ServerLAN 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 按管理模式分类对等局域网 网络中没有专用的服务器 每一台计算机既充当服务器又充当客户机的网络网络中所有计算机地位平等 没有从属关系一般的工作室 或较小的公司在对等网中 用户自行决定自己计算机的资源是否共享给网络内的其他用户对等网与网络拓扑无关 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 对等网 2 优点成本低 对系统要求简单 容易实现操作简便 不需要专门聘用网管缺点数据保密性差计算机资源占用大 2020年4月24日 按管理模式分类客户 服务器局域网 服务器在网络中起核心作用的组网模式 服务器类型 文件服务器 打印服务器 通信服务器 电子邮件服务器 应用程序服务器 网络规模增长迅速 对网络安全要求高的网络环境下使用基于服务器的组网模式 1 2二 局域网的分类 2020年4月24日 客户 服务器局域网 2 安全性好共享资源的集中管理数据备份扩展性好冗余数据 工作原理 2020年4月24日 1 3计算机网络体系结构 网络体系结构概述开放系统互连参考模型 OSI RM TCP IP体系结构 2020年4月24日 在20世纪80年代末和九十年代初 网络的规模和数量都得到了迅猛的增长 但是许多网络都是基于不同的硬件和软件而实现的 这使得它们之间互不兼容 而且很难在使用标准的网络之间进行通信 网络的发展过程中遇到的问题 例如 把一台IBM公司生产的计算机接入该公司的SNA网是可以的 但把一台HP公司生产的计算机接入SNA网就不是一件容易的事 这种情况限制了网络及信息社会的日益发展 2020年4月24日 2 网络之间采用统一的 语言 进行交流 1 所有的网络都采用同一种模型或结构来建网 网络上的 语言 就是协议 协议确保了网络通信更加有效地进行信息交流 为了确保不同类型的网络之间具有更好的兼容性和互操作性 采取如下措施 2020年4月24日 协议原为外交辞令 据说是为了在国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项 规则 在计算机网络中有许多互相连接的节点 这些节点间要不断地进行数据交换 要做到有条不紊地交换数据 每个结点必须遵守一些事先约定好的规则 这些规则规定了数据交换的格式及同步问题 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定叫做网络协议 Protocol 网络协议 2020年4月24日 网络协议由语法 语意 时序三个部分组成 语法 数据与控制信息的格式 做什么 语意 需要发出何种控制信息 完成何种动作及做出何种应答 怎么做 时序 事件出现顺序的详细说明 何时做 2020年4月24日 一个完整的网络需要一系列网络协议构成一套完整的网络协议集 大多数网络在设计时 是将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次模型 然后针对每个层次及每个层次间的关系制定相应的协议 这样可以减少协议设计的复杂性 像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合称为计算机网络体系结构 NetworkArchitecture 计算机网络体系结构 2020年4月24日 那为什么要分层呢 是因为出于将数据分步处理的考虑 网络中两个实体之间的通信是一个相当复杂的过程 如果不划分层次模型 协议的制定 调试将相当麻烦 按层组织网络的目的是减小协议设计的复杂性 每一层都建立在它的下层之上 不同的网络 其层的数量 各层的名字 内容和功能都不尽相同 但在所有的网络中 每一层的目的 都是向它的上一层提供一定的服务 而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽 2020年4月24日 2020年4月24日 网络体系结构 网络体系结构 networkarchitecture 计算机网络层次结构模型及各层协议的集合 层次 是人们对复杂问题处理的基本方法 接口 相邻两层之间交互的界面 定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务 服务 是下层通过层间的接口为上层提供其实现的某种特定功能 实体 是指网络中发送或接收信息的设备或进程 在大多数情况下是一个特定的软件模块 2020年4月24日 计算机网络的层次结构 接口是相邻层之间的通信约定 服务是垂直的 n 1层为n层提供服务 n层为n 1层提供服务 协议是水平的 n层协议是控制两节点中同处于n层中的实体间通信的规则 是实现服务的基础 2020年4月24日 网络体系结构 网络体系结构的特点 以功能作为划分层次的基础第n层的实体在实现自身定义的功能时 只能使用第n 1层提供的服务第n层在向第n 1层提供服务时 此服务不仅包含第n层本身的功能 还包含由下层服务提供的功能仅在相邻层间有接口 且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽 2020年4月24日 层次结构方法的优点 各层之间相互独立 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 黑箱方法灵活性好 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块每层都可以采用最合适的实现技术 易于实现和维护 把网络操作分成复杂性较低的单元 结构清晰有利于网络标准化 定义并提供了具有兼容性的标准接口 一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络 因此每个区域的网络可单独升级或改造 2020年4月24日 各种网络体系结构 1974年 世界上第一个网络体系结构SNA IBMDNA体系结构 Digital公司 BNA体系结构 宝莱 DSA体系结构 好利获得 1983年 ISO OSI体系结构TCP IP体系结构五层体系结构 2020年4月24日 ISO的OSI参考模型 ISO的OSI参考模型 开放系统互连参考模型 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连 国际标准化组织 ISO 于1977年成立了一个专门的机构来研究该问题 不久 他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架 即著名的开放系统互连参考模型OSI RM OpenSystemsInterconnectionReferenceModel 简称为ISO OSI 这是一个定义连接异构计算机网络的标准体系结构 开放 的含义 表示可使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接 2020年4月24日 OSI参考模型是一个描述网络层次结构的模型 OSI参考模型定义的主要内容 信息在网络中的传输过程及各层的功能和架构 OSI参考模型是网络设计的蓝图 并非指一个现实的网络 2020年4月24日 目标设备A 目标设备B OSI体系结构定义了网络互联的7层框架 如图所示 2020年4月24日 应用层 较高层 数据流动层 较低层 定义应用程序之间的通信和人机界面 较低层主要控制数据的物理传输 各层的主要功能 2020年4月24日 处理应用程序的网络进程 做什么 规定数据的表示方法 对方看起来像什么 实现两台主机间的网络通信 轮到谁讲话和从何处讲 解决如何在两台主机间实现可靠传输 对方在何处 实现两台主机间连接时的路由选择 走哪条路可到达该处 提供数据在物理链路上的传输 每步如何走 对应于基本的网络硬件 进行二进制传输 如何利用传输介质走每一步 2020年4月24日 OSI中数据的传输 两个开放系统之间的通信 对等层通信对等层通信 每一层使用自己层的协议与其他系统的对等层相互通信 网络体系结构禁止不同主机的对等层之间的直接通信 想一想 为什么 实际上 每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信 上层使用下层提供的服务 Serviceuser下层向上层提供服务 Serviceprovider 2020年4月24日 生活中信件的封装 传递与解封 2020年4月24日 以两个人使用信件进行信息交流为例 见下页图 2020年4月24日 问题 1 收信人与发信人之间 邮政局之间 他们是在直接通信吗 2 邮政局 运输系统各向谁提供什么样的服务 3 邮政局 收发信人各使用谁提供的什么服务 2020年4月24日 网络中的数据在每一层的表示 数据 数据 数据 数据段 数据包 数据帧 比特 电信号 光信号 无线波等 在传输介质中 2020年4月24日 网络中的数据在每一层的表示 或传输 实际上是经过了一个数据封装的过程 数据封装 数据 011101000011000010100101111010110 解封装 数据数据数据数据段数据包帧比特电脉冲 封装 数据 数据 2020年4月24日 TCP IP模型 TCP IP起源于美国国防部高级研究规划署 ARPA 的一项研究计划 实现若干台主机之间的相互通信 现在TCP IP已成为Internet上通信的标准 TCP IP模型包括4个概念层次 应用层 application 传输层 transport 网际层 internet 网络接口 networkinterface 2020年4月24日 TCP IP参考模型 TCP IP协议具有以下几个特点 开放的协议标准 可以免费使用 并且独立于特定的计算机硬件与操作系统独立于特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网 更可用于互联网 统一的网络地址分配方案 使得整个TCP IP设备在网中都具有唯一的地址标准化的高层协议 可以提供多种可靠的用户服务 2020年4月24日 TCP IP与OSI参考模型的对应关系 7654321 OSI参考模型 应用层 传输层 网络接口 数据链路层 物理层 网际层 TCP IP概念层次 Ethernet 802 3 802 5 FDDI等等 2020年4月24日 TCP IP与应用层 应用层协议支持了文件传输 电子邮件 远程登录 网络管理 Web浏览等应用 包括了所有的高层协议 2020年4月24日 传输层提供了两种传输协议 2020年4月24日 TCP IP网络层 网络层负责通过网络发送和接收IP数据报 其主要协议 IP 本层提供无连接的传输服务 不保证送达 不保序 本层的主要功能是寻找一条能够把数据报送到目的地的路径 网际层的数据表示PDU称为IP数据报 ICMP InternetControlMessageProtocol 提供控制和传递消息的功能 ARP AddressResolutionProtocol 为已知的IP地址确定相应的MAC地址 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 根据MAC地址确定相应的IP地址 2020年4月24日 TCP IP实际并未定义任何数据链路层协议和物理层协议 它可运行在现有的任何一种数据链路层和物理层之上 TCP IP数据链路层和物理层 2020年4月24日 右图说明 TCP应用层为用户提供丰富的服务 网络接口层可以连接多种网络 2020年4月24日 OSI模型与TCP IP的比较 OSI与TCP IP的共同点 层次化结构OSI RM清晰地定义了服务 接口和协议三个概念 将功能与实现细节分开 概括性强 理论完整 便于理解 普遍实用性强 至今仍被用于理论学习和系统分析 OSI的主要问题 定义复杂 实现困难 会话层在大多数应用中很少被用到 而表示层几乎是全空的 在数据链路层与网络层之间有很多的子层插入 每个子层都有不同的功能 有些功能在每一层重复出现 效率低下 如寻址 流控与差错控制关于数据安全性 加密与网络管理等方面的问题也在设计初期被忽略了 2020年4月24日 TCP IP参考模型也有自身的缺陷 没有将功能与实现方法区别开 在服务 接口 协议的区别上不清楚 OSI参考模型由于要照顾各方面的因素 使它变得大而全 所以效率很低 但它的很多研究成果 方法以及提出的概念对网络发展有很高的指导意义 是计算机网络体系结构的基础 TCP IP参考模型应用广泛 支持大多数网络产品 在计算机网络体系结构中占有重要地位 是事实上的工业标准 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 1IEEE802参考模型与OSI参考模型IEEE802是一个标准系列 IEEE802 IEEE802 1 IEEE802 14其体系结构只包含了两个层次 数据链路层 物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层 2020年4月24日 局域网网络体系结构参考模型LLC LogicalLinkControl 逻辑链路控制子层MAC MediumAccessControl 传输介质访问控制子层 局域网的体系结构 2020年4月24日 LLC子层的主要功能位于MAC之上 不同的MAC具有相同的LLC管理数据链路差错控制流量控制数据帧顺序控制提供为高层服务的服务访问点 端口 2020年4月24日 LLC子层向高层提供的服务面向无连接服务操作不带确认的无连接服务 操作类型1 LLC1 带确认的无连接服务 操作类型3 LLC3 面向连接服务操作 操作类型2 LLC2 高速传送服务 操作类型4 LLC4 2020年4月24日 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 LLC与MAC的区别 2020年4月24日 局域网对LLC子层是透明的 2020年4月24日 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 2020年4月24日 LLC与MAC之间的关系高层进程通过LLC服务访问点SAP 端口 和MAC地址访问网络 2020年4月24日 LLC协议数据中包括源端口地址 SSAP 目的端口地址 DSAP MAC协议数据中包括源MAC地址目的MAC地址MAC地址 以太网MAC地址长度6B 固化在以太网卡中 2020年4月24日 LLC MAC帧结构简介 2020年4月24日 局域网技术标准IEEE802IEEE国际电气电子工程师协会IEEE802国际电气电子工程师协会802委员会IEEE802委员会制定的关于局域网的技术标准 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 2IEEE802标准 802 1 综述和体系结构 IEEE802 1 A 802 2 逻辑链路控制802 3 CSMA CD 以太网 IEEE802 3工作组还开发了一系列标准 802 3u标准 百兆快速以太网标准 现已合并到IEEE802 3中 802 3z标准 光纤介质千兆以太网标准规范 802 3ab标准 传输距离为100m的5类无屏蔽双绞线千兆以太网标准规范 802 3ae标准 万兆以太网标准规范 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 2IEEE802标准 802 4 TokenBus 令牌总线 802 5 TokenRing 令牌环 802 6 分布队列双总线DQDB MAN标准802 7 宽带时隙环媒体访问控制方法及物理层技术规范 802 8 FDDI 光纤分布数据接口 802 9 LAN ISDN接口802 10 互操作LAN安全标准 SILS 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 2IEEE802标准 802 11 WLAN 无线局域网 802 11定义了无线局域网介质访问控制方法和物理层规范 主要包括以下几项 802 11a 工作在5GHz频段 传输速率54Mb s的无线局域网标准 802 11b 工作在2 4GHz频段 传输速率11Mb s无线局域网标准 802 11g 工作在2 4GHz频段 传输速率54Mb s无线局域网标准 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 2IEEE802标准 802 12 100VG ANYLAN的MAC标准及物理规范 802 14 交互式电视网 包括cablemodem的技术规范 802 15标准 定义了无线个人局域网 WPAN 技术 802 16标准 定义了宽带无线局域网技术 802 17标准 正在制定的弹性分组环 RPR 标准 802 18标准 正在制定的宽带无线局域网标准规范 2020年4月24日 IEEE802LAN参考模型 2020年4月24日 1 4 3局域网介质访问控制方式 介质访问控制方式是指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目前在局域网中常用的介质访问控制方式CSMA CDCSMA CA令牌环令牌总线 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 3局域网介质访问控制方式 CSMA CD载波监听多路访问 冲突检测CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection采用随机访问技术的竞争型介质访问控制方法 2020年4月24日 CSMA CD带冲突检测的载波帧听多点访问 CSMA CD CarrierSenseMulitipleAccess CollisionDetection 方法用来解决多结点共享公用总线的问题 IEEE802 3标准是在以太网规范的基础上制定的 用于总线局域网 主要解决多节点共享传输介质的问题 它包含两方面的内容 载波帧听 CSMA 和碰撞检测 CD 2020年4月24日 122 载波帧听 查看信号的有无称为载波帧听 CSMA网络中的各个站点都有一个 侦听器 用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息 如果总线已被占用 则此工作站等待一段时间然后再争取发送权 如果侦听总线是空闲的 没有其他工作站发送信息就立即抢占总线进行信息发送 2020年4月24日 总线已被占用 工作站等待时间确定的方法有 1 持续的载波帧听多点访问当某工作站检测到总线被占用后 继续帧听下去 一旦发现总线空闲 就立即发送信息 2 非持续的载波帧听多点访问当某工作站检测到总线被占用后 就延迟一个随机时间 然后再检测 不断重复 直到发现总线空闲 就开始发送信息 2020年4月24日 碰撞检测 当总线处于空闲时 某一个瞬间 如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息 那么该瞬间他们都可能检测到总线是空闲的 同时都认为可以发送信息 从而一齐发送 这就产生了碰撞 另一种情况是某站点侦听到总线是空闲的 但这种空闲可能是较远站点已经发送了信息 但由于在传输介质上信号传送的延时 当信息还未传送到此站点时 如果此站点又发送信息 也将产生碰撞 2020年4月24日 CSMA CD操作的流程图 CSMA CD协议的工作过程通常可以概括为 先听后发 边听边发 冲突停发 随机重发 2020年4月24日 CSMA CD的优缺点 控制简单 易于实现 网络负载轻时 有较好的性能 30 40 以内延迟时间短 速度快网络负载重时 性能急剧下降 70 80 以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降 2020年4月24日 重要特性 使用CSMA CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信 半双工通信 每个站在发送数据之后的一小段时间内 存在着遭遇碰撞的可能性 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率 2020年4月24日 以太网 Ethernet 是指采用CSMA CD访问控制技术的基带总线局域网 常见的以太网有 10BASE 5 10BASE 2 10BASE T 10BASE F等 这种记号的含义是 10表示信号的传输速率是10Mbit s BASE表示基带传输 5或2分别表示每一段的最大长度为500米或200米 T和F分别表示传输介质是双绞线和光纤 以太网 Ethernet 2020年4月24日 10Base5粗同轴10Base2细同轴10BaseT双绞线10BaseFMMF100BaseT双绞线100BaseFMMF SMF1000BaseX屏蔽短双绞线 MMF SMF1000BaseT双绞线 目前应用最广泛的这类局域网是总线型局域网 即以太网 Ethernet 例如 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 3局域网介质访问控制方式 CSMA CA无线局域网不能使用CSMA CD 而只能使用改进的CSMA协议 改进的办法是把CSMA增加一个碰撞避免 CollisionAvoidance 功能 802 11就使用CSMA CA协议 而在使用CSMA CA的同时 还增加使用停止等待协议 2020年4月24日 CSMA CA协议的原理 欲发送数据的站先检测信道 在802 11标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据 当源站发送它的第一个MAC帧时 若检测到信道空闲 则在等待一段时间后就可发送 接受端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报 如果这个ACK数据报被接收端收到 则这个数据发送过程完成 如果发送端没有收到ACK数据报 则或者发送的数据没有被完整地收到 或者ACK信号的发送失败 不管是那种现象发生 数据报都在发送端等待一段时间后被重传 2020年4月24日 CSMA CD和CSMA CA的主要差别 两者的传输介质不同 CSMA CD用于总线以太网 而CSMA CA则用于无线局域网802 11b 检测方式不同 CSMA CD通过电缆中电压的变化来检测 当数据发生碰撞时 电缆中的电压就会随着发生变化 而CSMA CA采用能量检测 ED 载波检测 CS 和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式 WLAN中 对某个节点来说 其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度 也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉 本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突 因此 在WLAN中实现CSMA CD是比较困难的 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 3局域网介质访问控制方式 令牌环 TokenRing 主要用于IEEE802 5令牌环网拓扑结构 点到点链路连接 构成闭合环 A B D C 站点 干线耦合器 单向环 点到点链路 2020年4月24日 令牌环的起源 令牌环 TokenRing 网络是在20世纪70年代由IBM首先开发出来的 至今IBM仍是支持这种LAN技术的主要厂商 IEEE在IBM令牌环网络的基础上制定了802 5规范 两者是兼容的 通常所说的令牌环网络是指IBM令牌环或IEEE802 5规范 2020年4月24日 令牌环的网络结构 逻辑拓扑 物理拓扑 2020年4月24日 令牌环 TokenRing 令牌环产生于1969年贝尔实验室的NEWHALL环网 令牌环主要用于环形结构 可用双绞线或光纤实现连接 所谓令牌是一种特殊的控制帧 也叫通行证 它使用一种专门的数据包 在环路上持续地循环传输以确定一个工作站何时可以发送信息包 令牌有 忙 和 空 两个状态 2020年4月24日 令牌环介质访问方法 令牌 Token 在令牌环网络中 每个节点都包含一个转发器 转发器从两链路中的一条接收比特流 然后通过另一条链路发送比特流 令牌是一个3个字节的短帧 在环上的节点间依次不停地传递 令牌中第2字节的第4位作为标识位来表示令牌是 空闲 或 忙 只有捕获到空闲令牌的节点才能向环上发送数据帧 令牌传递 TokenPassing 2020年4月24日 令牌的格式 当各个站点没有帧发送时 令牌的形式为01111111 称为空令牌 每个结点必须在它持有令牌的最大时间内发完所有的帧 如果没有发完 也只能等待下次获得令牌的时候再发送 2020年4月24日 TokenRing 802 5的操作 哪个站点可以发送帧 是由一个沿着环旋转的称为 令牌 TOKEN 的特殊帧来控制的 只有持有令牌的站可以发送帧 而没有拿到令牌的站只能等待 拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头 后面加挂上自己的数据进行发送 目的站点从环上复制该帧 帧则沿环继续往下循环 数据帧循环一周后由源站点回收 并送出一个空令牌 使其余的站点能获得帧的发送权 2020年4月24日 TokenRing 802 5的操作举例 2020年4月24日 以下情况必须交出令牌 该结点中没有数据等待发送该结点提前发送完要发送的帧该结点未发送完数据 但持有令牌的最大时间已到 2020年4月24日 令牌环的特点 优点 网络中的节点只有截获令牌时才能发送数据 没有获取令牌的节点不能发送数据 因此 使用令牌环的LAN中不会产生冲突 在重负载时 对各节点公平 且效率高 时延确定 缺点 在轻负载时 由于存在等待令牌的时间 效率较低 它的最大缺点是令牌环的维护复杂 实现比较困难 2020年4月24日 1 4IEEE802参考模型及网络协议 1 4 3局域网介质访问控制方式 令牌总线 令牌总线网按与令牌环同样的原理进行工作 但在物理上却是一个总线网 它遵循IEEE802 4协议 在令牌总线网中 物理总线上的站点在逻辑上被组织成一个环 令牌在其间传递 一个站点想发送数据须等待令牌的到达 2020年4月24日 总线令牌环 说明 蓝色帧为令牌帧 绿色帧为数据帧 令牌帧按站点序号由高到低依次轮询 2020年4月24日 TokenBus的主要特点 介质访问延迟时间有确定值 通过令牌协调各结点之间的通信关系 各结点之间不发生冲突 重负载下信道利用率高 支持优先级服务 2020年4月24日 令牌总线网 特点 物理上是总线网 逻辑上是令牌网应用 工厂自动化和过程控制 适合总线状的装配线 并具有可预测的时延 能满足实时处理要求 物理层 传输媒体为75 宽带同轴电缆 基带信号需要调制数据速率1Mbps 5Mbps或10M