局域网技术基础

计算机网络技术与应用教案课题局域网技术基础课次10-11授课时间授课时数4授课方法讲解、练习授课班级教具联网机房、多媒体、智能手机教学目标知识目标: 1、掌握局域网基本概念和分层； 2、掌握IEEE802系列常用标准； 3、掌握传统以太网知识； 4、熟悉快速以太网； 5、掌握CSMA/CD； 6、熟悉令牌环网基本工作原理。能力目标: 1、能够进行小型局域网的组建；素质目标:学生按照组建的学习团队学习、实验、交流，分配角色，培养团队合作能力。教学重点CSMA/CD、局域网体系结构、令牌环网教学难点CSMA/CD教学内容教师活动局域网概述局域网的特点为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务覆盖地理范围小，在房间、建筑物、园区范围传输速率高，一般在10Mbps1000Mbps误码率低（一般在10-8 10-10），时延小决定局域网特性的主要技术有 3 个方面：用以传输数据的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线；用以连接各种设备的拓扑结构；用以共享资源的介质访问控制方法。这 3 种技术在很大程度上决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量和利用率，以及网络应用等各种网络特性。其中最重要的是介质访问控制方法，它对网络特性具有十分重要的影响。局域网一般采用媒体共享技术，使众多用户可以合理而方便地共享通信媒体资源。静态划分信道：如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等；动态媒体接入控制：信道并非固定分配给用户随机接入：用户可以随机地发送信息，因此需要解决好碰撞问题；受控接入：用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制，如探询。传统以太网局域网参考模型：一般都采用IEEE制订的802标准体系IEEE 802标准只定义了物理层和数据链路层两层，并根据 LAN 的特点，把数据链路层分成逻辑链路控制 LLC （ Logical Link Control ）子层和介质访问控制 MAC （ Medium Access Control ）子层；还加强了数据链路层的功能，把网络层中的寻址、排序、流控和差错控制等功能放在 LLC 子层来实现。IEEE 802标准中对局域网各层的功能定义：物理层：处理在物理链路上发送、传递和接收非结构化的比特流，包括对带宽的频道分配和对基带的信号调制、建立、维持、撤消物理链路，处理机械的、电气的和过程的特性。介质访问控制层MAC：成帧/拆帧，实现、维护MAC协议，位差错检测，寻址。根据网络的具体拓扑方式以及传输介质的类型，控制对传输介质的访问，和对信道资源的分配。逻辑链路控制层 LLC：向高层提供统一的链路访问形式，建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，为高层提供网络服务的逻辑接口，能够实现差错控制和流量控制以太网标准以太网的两个标准DIX V21975年美国施乐（Xerox）公司研制成功的一种基带总线局域网，数据率2.94Mb/s。1980年，DEC公司、Intel公司和Xerox公司联合提出了10 Mb/s以太网的第一个版本DIX V11982年，该版本又修改为DIX Ethernet V2。IEEE 802.31983年，IEEE制订了第一个以太网标准802.3，数据率为10 Mb/s，它与DIX V2版本差别很小。分隙ALOHA协议基本思想：把信道时间分成离散的时间段，段长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时段开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。信道效率与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。CSMA/CD协议总线方式接入竞争使用总线，随机发送只有地址与目的地址相同的站点才接收，实现一对一通信采用无连接通信，数据帧不编号，也不确认CSMA/CD协议为控制传输媒体的使用，以太网采用了载波侦听多点接入/碰撞冲突协议多点接入：多个用户共用一条线路载波侦听：每一站点在发送数据之前，先检测总线上是否有其它计算机发送数据。如果有，则暂不发送，以免冲突。碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如发现冲突，则停止发送，发出瞬间干扰信号，通知其它站点发生了冲突，然后等待一段随机时间后再发送。1-坚持型CSMA（1-persistent CSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。优点：减少了信道空闲时间；缺点：增加了发生冲突的概率；广播延迟对协议性能的影响：广播延迟越大，发生冲突的可能性越大，协议性能越差非坚持型CSMA（nonpersistent CSMA）原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送；若信道忙，等待一随机时间，然后重新开始发送过程；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送过程。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；信道效率比 1-坚持CSMA高，传输延迟比 1-坚持CSMA大。p-坚持型CSMA（p-persistent CSMA）适用于分隙信道原理若站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则以概率p发送数据，以概率q =1- p 延迟至下一个时隙发送。若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他站点所占用；若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送；若产生冲突，等待一随机时间，然后重新开始发送。碰撞检测当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（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，表明产生了碰撞。在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，帧中数据被破坏，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站点边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突，然后等待一段随机时间后再次发送。为什么站点在信道空闲时发送数据还会存在冲突？使用CSMA/CD时，计算机只能进行半双工通信。每个站点在发送数据后的一小段时间内可能遭遇冲突。争用期：以太网的端到端往返时延2碰撞窗口二进制指数类型退避算法：让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即发送数据，而是推迟（退避）一个随机时间，以减小再次发生冲突的概率。确定基准退避时间，一般为争用期2定义参数k=Min重传次数，10，表示重传次数，但k超过10时取10从离散的整数集合0,1,2k-1中取出一个数r，重传所需的时延就是基本退避时间的r倍当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。以太网取51.2s为争用期长度。对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。如在64字节之前无冲突，则后续的数字就不会发生冲突。争用期51.2s还包含转发器所增加的时延等多种因素，因此大于往返时延。最短有效帧长为64字节。如果有冲突产生，一定在发送的前64字节之内。强化冲突：当发送数据的站一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还继续发送若干比特的人为干扰信号（jamming ），以便让所有其它用户都知道发生了冲突。传统以太网的连接方法传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。使用粗同轴电缆的以太网：计算机中的网卡使用DB-15连接器与收发器电缆（即AUI电缆）相连，AUI电缆另一端与收发器相连。收发器的主要功能：经电缆收发数据在同轴电缆上检测数据帧的冲突在同轴电缆和电缆接口的电子设备之间进行电气隔离当收发器或计算机发生故障时，保护同轴电缆不受影响。当传输距离超过500米时，粗同轴电缆之间可通过转发器相连，但最长不超过2500米。使用细同轴电缆的以太网：每段长度不超过185米，线缆与计算机网卡之间通过BNC口连接网卡的主要功能：数据的封装与解封链路管理编码与译码使用10BASE-T的以太网：以双绞线取代同轴电缆：10BASE-T使用两对无屏蔽双绞电话线，一对线发送数据，另一对线接收数据；使用RJ-45的8针模块插头。和其它以太网媒体一样，10BASE-T使用曼彻斯特编码，信号频率是20M赫兹，并且必须使用3类或更高类别的UTP电缆。10BASE-T具有链接一体化的特征，使电缆安装和故障查找变得容易了。每隔16毫秒，集线器和网卡都发出“滴答”(heart-beat)脉冲，它们也都要查听此信号，收到滴答信号表示物理连接已经建立。用多端口集线器连接计算机，每个站到集线器不超过100米。10BaseF：使用光纤作为媒体，在距离和传输特性上优点明显。集线器使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。一个集线器有许多端口，很像一个多端口转发器。集线器和转发器都工作在物理层集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。堆叠式集线器可由48个集线器堆叠成一个更大的集线器。以太网的MAC层MAC层的硬件地址著名文献SHOC78：名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。严格地讲：名字应当与系统的所在地无关。802标准为局域网规定了一种48bit的全球地址，是指局域网上的每一台计算机所插入的网卡上固化在ROM中的地址。局域网上的计算机更换一块新网卡，它的局域网的“地址”就改变了，虽然物理位置没变，接入的局域网也没变。一台笔记本电脑从一个地方移到另外一个地方并接入局域网，其局域网的“地址”没变，物理位置、接入的网络都变了。总结：802标准所说的“地址”严格的讲应当是每一个站的“名字”或标识符。802标准为6个字节局域网全球地址的法定管理机构RAC (Registration Authority Committee)，负责分配地址字段6个字节中的前3个字节(高24位)。局域网卡的生产厂家必须购买由这3个字节构成的一个号(即地址块)，其正式名称为OUI(Organizationally Unique Identifier) 。地址字段中的后3个字节(即低24位)则由厂家自行指派，称为扩展的惟一标识符(Extended Unique Identifier)，只要保证生产出的网卡没有重复地址即可，可见一个地址块可以生成224个不同的地址。MAC地址即硬件地址、物理地址也是网卡地址或网卡标识符EUI-48。IEEE规定地址字段的第一字节的最低位I/G (Individual/Group)比特。当I/G比特为0时，地址字段表示一个单个站地址；当I/G比特为1时，表示组地址，用来进行多播。IEEE制定的二进制EUI-48地址有两种不同的记法（如P109图4-15）第一种记法是802.5和 802.6采用的标准：每一个字节的高位写在最左边第二种记法是802.3和 802.4采用的标准：每一个字节的高位写在最右边。IEEE标准规定：地址字段第1字节的最低第2位为G/L（Global/Local）位。当G/L=1时表示全球管理（保证全球无相同的地址）；当G/L=0时表示本地管理，用户可以任意分配网络上的地址。以太网一般不使用G/L位。网卡每接收一个MAC帧首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他处理；否则，将此帧丢弃，不再进行其他处理。“发往本站的帧”包括三种帧：单播 (unicast)帧(一对一)：收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。广播 (broadcast)帧(一对全体)：发送给所有站点的帧(全1地址)。多播 (multicast)帧(一对多)：发送给一部分站点的帧。注意：所有的网卡都最至少能识别前两种帧。以太网的两种不同的MAC帧格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。无效的 MAC 帧数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。帧间最小间隔帧间最小间隔为 9.6 ms，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。在物理层扩展局域网设备：转发器和集线器多级结构的集线器局域网的优点：不同局域网的计算机之间可以通信。扩大了局域网的地理覆盖范围。多级结构的集线器局域网的缺点：通过集线器互连在一起的局域网组成了一个更大的共同的碰撞域。采用不同以太网技术的局域网互连，不能用集线器。因为此时它只是一个多端口的转发器，不能缓存帧教学内容教师活动高速以太网快速以太网100Base-T以太网100Base-T以太网：在双绞线上传送100Mb/s的基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3和CSMA/CD协议，称为快速以太网。用户只需要更换一张网卡，并配上100Mb/s的集线器/交换机，就可以方便地从10Base-T升级到100Base-T。 100Base-T能识别并自适应10Mb/s和100Mb/s的以太网。标准：1995年，IEEE通过802.3u标准，实际上是802.3的一个补充。原有的帧格式、接口、规程不变，只是将比特时间从100ns缩短为10ns。对10 Mbps 802.3 LAN的改进：一种方法是改进10Base-5 或 10Base-2，采用CSMA/CD，最大电缆长度减为1/10，未被采纳；另一种方法是改进10Base-T，使用HUB，被采纳：当数据率提高10倍时，为保持最短帧长不变，网段的电缆长度减为100米，帧间间隔从原来的9.6s改为现在的0.96 s。100BASE-T MAC与10Mbps经典以太网MAC几乎完全一样，例如两者都具有下列参数值：时隙=512位时，重试次数极限=16，退避次数极限=10，碰撞加强(jam)信号长度=32比特，地址位长度=48比特，最大帧长=1518字节，最小帧长=512比特(64字节)，唯一不同的参数就是帧际间隙时间，10Mbps是9.6微秒(最小值)，快速以太网(100Mbps)是0.96微秒(最小值)。100BASE-T MAC以10倍速度使用传统的以太网MAC。100BASE-T标准允许包括多种物理层协议，现在已有三个不同的100BASE-T物理层规范，其中的两个标准支持长度为100米的无屏蔽双绞线，第三个标准支持单模或多模光缆。表4-1列出了三种媒体类别的主要参数值。有时人们把100BASE-TX和100BASE-FX合在一起称作100BASE-X 。100Base-TX使用2对5类平衡双绞线或150W屏蔽平衡电缆，1对用于发送，另1对用于接收，可实现全双工通信；信号能量主要集中在30MHz以下，以便减少辐射的影响；信号编码采用MLT-3多电平传输编码方法，用正、负和零电平实现三元制进行编码：当输入一个“0”时，下一个输出值不变；当输入一个“1”时，下一个输出值要变化：若前一个输出值为正值或负值，则下一个输出值为零；若前一个输出值为零，则下一个输出值与上一次的一个非零输出值的符号相反。100Base-T4使用4对UTP3类或5类线，同时使用3对线同时传送数据（每对数据率为33.5MB/s），用1对作为冲突检测的接收信道；传输距离最长为100m；信号采用8B6T-NRZ编码方法：将数据流中的每0位作为一组，然后按规则转换为每组6位的三元制码元。千兆以太网吉比特以太网1997年，IEEE通过802.3Z标准，允许在1Gb/s下实现全双工/半双工通信；仍采用802.3协议规定的帧；在半双工通信方式下使用CSMA/CD协议，全双工下方式不需要使用CSMA/CD协议与10Base-T和100Base-T技术向后兼容吉比特以太网的物理层使用了两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种来自ANSI制订的光纤通道。吉比特网的物理层共有两个标准：1000Base-X(802.3z标准)：基于光纤通道的物理层，即FC-0和FC-1，使用的媒体有：1000Base-SX：使用短波长（850nm）的激光器，采用纤芯直径为62.5m和50 m的多模光纤时，传输距离为275m和550m。1000Base-LX：使用长波长（1300nm）的激光器，采用纤芯直径为6