《计算机网络CN》PPT课件.ppt

1、1,第3章 局域网(LAN),3.1 局域网概述 3.2 局域网相关概念 3.3 局域网组成 3.4 局域网结构 3.5 常用局域网,2,3.1局域网概述LAN的发展历史,20世纪70s 1974年英国剑桥大学 剑桥环网 1975年美国Xerox(施乐)公司 实验性以太网 20世纪80s 局域网高速发展 IEEE 802委员会 20世纪90s至今 10BASE-T FDDI 100BASE-T 千兆以太网 ATM,3,3.1局域网概述LAN的功能,硬件资源共享 软件资源共享 信息发布 电子邮件 办公自动化,4,3.1局域网概述LAN的特点,覆盖范围小 房间、建筑物、园区范围 距离25km 高传

2、输速率 10Mbps1000Mbps 低误码率 10-8 10-10 采用总线、星形、环形拓扑 双绞线、同轴电缆、光纤 为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务,Switch,Server farm,station,stations,stations,5,3.1局域网概述LAN的分类,令牌环网 以太网 廉价的网络接口卡 易于安装 使用广泛 高速度,6,3.2 相关概念,局域网的几个概念 带宽：给定范围内的最高频率和最低频率之差，代表网络的通信能力。带宽越大，数据传输越快 共享和交换 双工：双向同时通信 半双工：双方交替通信,7,3.3 局域网组成硬件系统,8,3.3 局域网组成软件系统,IE

3、EE802标准,网络层,数据链路层,物理层,逻辑链路控制 LLC,媒体访问控制 MAC,高层,OSI,IEEE 802,物理层PHY,由NOS来实现,9,LAN的数据链路层,按功能划分为两个子层：LLC和MAC 功能分解的目的： 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度。 局网特点：共享信道(如总线)。需要解决介质访问控制(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。 LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。,10,MAC子层的地址,IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址，它是站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。MAC

4、地址（物理地址） MAC地址为6Byte（48位）。 MAC地址的前3个字节（高24位）由IEEE统一分配给厂商，低24位由厂商分配给每一块网卡。 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址。,11,LAN的网络层和高层,网络层 由于IEEE 802局域网拓扑结构简单，一般不需中间转接，所以网络层的很多功能(如路由选择等)是没有必要的，而流量控制、寻址、排序、差错控制等功能可在数据链路层完成，故IEEE 802标准没有单独设立网络层。 高层 局域网的高层尚未定义，一般由网络操作系统（NOS）来实现，如Unix、Windows NT、Netware等。,12,IEEE802体系结构示

5、意图,802.3 CSMA/CD,802.4 Token Bus,802.5 Token Ring,802.6 DQDB,802.8 FDDI,802.2 LLC,数据链路层,物理层,LLC,MAC,802.1D Bridge,802.1A 体系结构,PHY,13,IEEE802标准的主要成员,802.2 - 逻辑链路控制LLC 802.3 - CSMA/CD（以太网） 802.4 - Token Bus （令牌总线） 802.5 - Token Ring（令牌环） 802.6 - 分布队列双总线DQDB - MAN标准 802.8 FDDI（光纤分布数据接口） 802.11 无线LAN,14

6、,3.3.2 介质访问控制(MAC),载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD) Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 令牌传递(Token Passing) Token Ring Token Bus FDDI(双环),15,3.3.2 介质访问控制CSMA：载波监听多点访问,工作原理 发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。 载波监听策略： 非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。 坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空

7、闲。 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据 p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送）,16,3.3.2 介质访问控制CSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问,工作原理 发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。 CSMA/CD可归结为四句话： 发前先侦听，空闲即发送， 边发边检测，冲突时退避。,17,3.3.2 介质访问控制令牌环（IEEE802.5）,拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环 操作流程 1）谁可以发送帧，是由一个沿

8、着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。,18,令牌环（IEEE802.5）的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,19,令牌环（IEEE802.5）的操作(续1),3）数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较： a)如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中； b)如果地址

9、不符合，则直接将帧送回环中。,20,令牌环（IEEE802.5）的操作(续2),4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。,21,Token Ring/802.5的操作举例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后 A将数据帧回收 并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,22,3.3.2 介质访问控制令牌总线(

10、IEEE 802.4),特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 传输机制为以太网和令牌环的结合： 物理传输采用广播方式； 介质访问控制采用令牌方式。,23,令牌环（IEEE802.5）的操作,1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。 2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。,24,3.3.3 通信协议,NetBEUI IPX/SPX TCP/IP,25,3.3.4 网络操作系统(NOS),NOS的基本功能 支持网络通信 支持多用户使用 提供统一、友好的网络操作环境,2

11、6,网络操作系统Unix,Bell Lab.开发的多任务通用操作系统 Unix的特点 技术成熟，稳定性和可靠性高 极强的伸缩性 网络功能强 强大的数据库支持能力 开放性好、开发功能强,27,网络操作系统Windows NT/Windows 2000,Windows NT/2000的特点 内置网络功能 友好的界面 实现多种网络结构模式 配套产品丰富,28,网络操作系统Novell Netware,Novell Netware的特点 强大的文件及打印服务功能 良好的兼容性及系统容错能力 完备的安全措施 具有比较完善的目录服务,29,网络操作系统Linux,免费且提供源代码的操作系统 Linux的特

12、点 遵守GPL的自由软件 与Unix相似 支持多种硬件平台,30,3.4 局域网结构,对等网络结构 专用服务器 主丛式结构,31,3.5 常用局域网,10Base5 粗同轴 10Base2 细同轴 10BaseT 双绞线 10BaseF MMF 100BaseT 双绞线 100BaseF MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 1000BaseT 双绞线,32,传输媒体(介质),磁介质 高带宽、低费用、高延时（小时） 例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。 总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s

13、 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 金属导体 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 光纤 无线介质：无线电、短波、微波、卫星、光波,33,双绞线,-螺旋绞合的双导线，1mm -每根4对、25对、1800对 -典型连接距离100m（LAN） -RJ45插座、插头 -优缺点： 成本低 密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离较短,34,屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP),以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音,3类、5类、6类 （16M、155M、1200M） 双绞线外没有任何附加屏蔽,35,同轴电缆,基带同轴电缆 一条电缆只用于一个

14、信道，50，用于数字传输 宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 ，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,36,细同轴 -50 ，D=1.02cm，10Mbps -185m、4中继、5段（925m） -优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗同轴 -75 ，D=2.54cm，10Mbps -500m、4中继、5段（2500m） -优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好,37,光纤,依靠光

15、波承载信息 速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好，保密性好 轻便,38,光纤传输原理利用了光的反射 光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。 光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低 亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测器 光源: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管 / 激光二极管 介质: 光纤 光检测器: 光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤,39,光纤传送模式：MMF、SMF,输出电信号

16、,波长: 1300,1550 nm,波长 : 850,1300 nm,多束光线以不同的反射角传播,单束光线沿直线传播,40,典型的光缆,常见规格：玻璃内芯50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层125um,41,高密度多芯光缆剖面结构,42,无线介质,使用电磁波或光波携带信息 无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰,43,无线电,固定终端点（基站）和终端之间是无线链路,基站,用户计算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1, F2, F3 = 使用的频率,44,地面微波接力,两个地面站之间传送 距离：50 -100 km,地球,地面站之间

17、的直视线路,微波传送塔,45,地球同步卫星,与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球 传输延迟时间长,46,常用传输媒体的比较,47,常用局域网10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑 用于办公室LAN,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m 每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,48,10BaseT,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 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：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发

18、器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大长度 100m,49,10BaseF,使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。 星形拓扑结构 最常见的布线标准： 10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km,50,常用局域网交换式以太网,以网络交换机为主干的以太网 拓扑仍为星形结构（总线/HUBLAN_SWITCH） 为何要使用网络交换机？ 以太网共享介质网络 共享介质网络中站点数的增加将导致LAN的性能降低，相当于多个子信道分享通信线路。解决：网络分段(减少站点数)网络交换 基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD

19、的限制， 网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每个连接的带宽为10Mbps ；,51,常用局域网交换式以太网,使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如： 8个端口可建立4个并发通信， 总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps 在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置1-2个高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为Big-Pipe。,10Mbps 网络交换机,52,常用局域网交换式以太网,交换机的两种用法(以10Mbps网络交换机为例)： (1)端口下接站点：站点独占10Mbps带宽

20、(2)端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽,共享10M,独享10M,共享10M,独享10M,网络交换机Switch,HUB,HUB,53,常用局域网100Mbps 快速以太网,又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。 与10Mbps网络的比较： 拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样； 传输率快10倍； 帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。,3种不同的物理层标准：,MAC子层,100BaseFT,100BaseTX,2对5类 UTP,光纤,4对3类 UTP,100BaseT4,54,快速以太网组成实例,网卡(外置或

21、内置收发器)、收发器(外置)与收发器电缆 集线器（双绞线或光纤接口） 双绞线及光缆,外置光纤收发器,光纤,100Base FX集线器,100Base TX集线器,100Base TX集线器,光纤,插有光纤接口网卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纤,UTP5,55,常用局域网FDDI (Fiber Distributed Data Interface),网络由双环构成，可靠性高。 传输速率为100Mbps。 介质访问控制方法采用Token Passing，类似于令牌环。 传输介质主要为光纤，网络覆盖范围较大(几十km)。,集中器,集中器,令牌,服务器,56,高速局域网千兆以太网(GE

22、:Gigabit Ethernet),两种标准：802.3z和802.3ab 802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线/MMF/SMF 802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线(5类，6类) 连接距离较短： 1000BaseX:双绞线 - 25米；MMF - 550米；SMF - 3km 1000BaseT: 5类双绞线 100米 拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同； 传输速率比100BaseT快10倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。,57,无线局域网,传输方式 无线电波 红外线 网络拓扑 无中

23、心拓扑 有中心拓扑 网络接口 物理层 数据链路层,58,LAN的扩展（LAN互连） 网桥,LAN互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题 LAN互连的困难： 帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同 LAN互连的实现： 中继器/HUB 在物理层上实现互联 网桥 在数据链路层上实现互联 路由器 在网络层上实现互联,59,用网桥实现多个网段互连,hub,10Base2 - 细缆Ethernet,10Base5 粗缆Ethernet,10BaseT-双绞线,router,server,hub,网桥,网段3,网段4,10Base5 粗缆Ethernet,网段1,网段2,60,用网桥进行LA

24、N扩展的缺点： 时延增加 没有流量控制功能，重载时会丢失帧 不能防止广播风暴（广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段） 两种类型的网桥： 透明网桥（Transparency Bridge） 源选径网桥（Source Routing Bridge）,61,1. IEEE802.1透明网桥,特点：由网桥实现路由选择，网桥和路由对站点透明, 网桥采用存储、转发方式，需要有足够缓存 网桥有寻址和路由选择能力，路由选择采用查表法：网桥内的端口-地址表描述了到达每个站点的路由。,连接三个网段的网桥,端口-地址表的结构,62,选路方法： （参考上图） 假定网桥开机后从端口1收到来自LANx的帧，它就查端口-地址表： . 若目的MAC地址在本端口的表项中，则丢弃此帧 . 若目的MAC地址在其他端口的表项中，则把帧转发到相应端口