计算机通信与实验(4)

1、第四章 局域网原理与技术 2局域网原理与技术4.1局域网概述4.2局域网的拓扑结构和参考模型4.3介质访问控制方法4.4以太网技术4.5高速局域网技术4.6无线局域网技术4.7局域网布线系统4.8局域网扩展4.9简单局域网的设计与组网方法34.1 局域网概述 局域网（Local Area Network, LAN） 在某一建筑里或限定区域内的一种用于连接终端、打印机和计算机的数据通信网络。 局域网的特点： 覆盖范围小 通常由某个组织单独拥有 内部数据传输速率非常高44.1 局域网概述 以太网（Ethernet） 虚拟局域网（VLAN） 无线局域网（WLAN） 令牌环网（Token Ring）

2、光纤分布式数据接口（FDDI）54.2局域网的拓扑结构和参考模型 局域网拓扑结构 局域网中的各组成部分的连接方式。 常见类型：总线形、星形、环形和树形。64.2局域网的拓扑结构和参考模型 总线形总线形拓扑结构的简化表示 总线形拓扑结构74.2局域网的拓扑结构和参考模型 星形星形拓扑结构的简化表示 星形拓扑结构84.2局域网的拓扑结构和参考模型 环形环形拓扑结构的简化表示 环形拓扑结构94.2局域网的拓扑结构和参考模型 IEEE 802体系结构IEEE 802参考模型和OSI参考模型104.2局域网的拓扑结构和参考模型 IEEE 802体系结构 介质访问控制（Media Access Contr

3、ol, MAC） 处理与特定类型的局域网相关的问题。 逻辑链路控制（Logical Link Control, LLC） 定义了一些字段，使多个上层协议能共享数据链路层； 实现了对数据链路通信的管理、链接寻址、定义服务访问点（Service Access Point, SAP）和排序等功能；114.2局域网的拓扑结构和参考模型 IEEE 802体系结构 LLC定义了三种数据通信操作类型： 类型1：是简单的无连接协议，该方式不保证发送的信息一定可以收到，即数据帧被数据链路层以一种尽力而为（best effort）的方式传递。 类型2：提供面向连接的服务，支持可靠数据传输。用于不需要调用网络层和传

4、输层协议的局域网环境。 类型3：提供无连接应答响应服务。124.2局域网的拓扑结构和参考模型 与IEEE 802有关的其它网络协议包括： IEEE 802.1概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。 IEEE 802.2逻辑链路控制LLC。最高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。 IEEE 802.3CSMA/CD网络，定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。 IEEE 802.4令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规范。 IEEE 802.5令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规范。 IEEE 802.6城域网。134.2局域网的拓扑

5、结构和参考模型 与IEEE 802有关的其它网络协议包括： IEEE 802.7宽带技术。 IEEE 802.8光纤技术。 IEEE 802.9综合话音数据局域网。 IEEE 802.10可互操作的局域网的安全。 IEEE 802.11无线局域网。 IEEE 802.12优先高速局域网(100Mb/s)。 IEEE 802.13有线电视(Cable-TV) 。144.3 介质访问控制方法 介质访问控制方法 为了避免在广播链路中传输数据引起的冲突，需要一个多路访问协议来协调对链路的访问。154.3 介质访问控制方法 主要的多路访问协议多路访问协议164.3 介质访问控制方法 受控访问控制方法 预

6、约预约访问控制方法174.3 介质访问控制方法 受控访问控制方法 轮询184.3 介质访问控制方法 受控访问控制方法 令牌传递令牌传递网络194.3 介质访问控制方法 随机访问控制方法 需要解决的问题： 站点何时访问介质？ 如果介质忙，站点如何处理？ 如果有访问冲突，如何处理？204.3 介质访问控制方法 ALOHA系统 允许站点在任何时刻进行广播。如果两个信号发生冲突，那么各站点只需等待一段随机时间后重新尝试发送过程。214.3 介质访问控制方法 ALOHA系统ALOHA网络224.3 介质访问控制方法 ALOHA系统纯ALOHA系统的工作原理234.3 介质访问控制方法 ALOHA系统时隙

7、ALOHA系统的工作原理244.3 介质访问控制方法 ALOHA系统纯ALOHA和时隙ALOHA的吞吐率254.4 以太网技术 以太网 最早来源于Xerox公司的PARC（Palo Alto Research Center）研究中心于1973年建造的第1个2.94Mbps的CSMA/CD系统，该系统可以在14米的电缆上连接100多个工作站。 Xerox、DEC和Intel公司于1980年联合起草了以太网标准，并于1982年发表了第2版本的以太网标准。264.4 以太网技术 以太网的一般特征： 共享介质：所有网络设备依次使用同一通信介质。 广播传输：需要传输的帧被发送到所有节点，但只有目标节点才

8、会接收帧。 CSMA/CD：解决多个站点的信道争用问题。 MAC地址：所有以太网络接口卡都采用48位全球唯一的网络地址。274.4 以太网技术 CSMA 站点在发送数据前进行载波监听，然后再采取相应动作的协议，被称之为载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）协议。284.4 以太网技术 CSMA协议的类型 1-坚持CSMA（1-persistent CSMA） 站点要发送数据时，它首先监听信道，看是否有其他站点正在发送数据。如果信道空闲，则该站点立即发送数据；如果信道忙，该站点继续监听信道直到信道变为空闲，然后发送数据；若产生冲突，等待一段随机

9、时间，然后重新开始发送过程。294.4 以太网技术 CSMA协议的类型 非坚持CSMA（non-persistent CSMA） 站点在发送数据之前要监听信道。如果信道空闲，立即发送数据；如果信道忙，站点不再继续监听信道，而是等待一个随机长的时间后，再重复上述过程。若产生冲突，则等待一随机时间，然后重新开始发送过程。304.4 以太网技术 CSMA协议的类型 p - 坚持CSMA（p - persistent CSMA） 站点在发送数据之前，首先监听信道。如果信道空闲，便以概率p发送数据（即以概率1-p把数据发送推迟到下一个时隙）；如果下一个时隙信道仍然空闲，便再次以概率p发送数据。此过程一直

10、重复，直到将数据发送出去或是其他站点开始发送数据。如果该站点一开始监听信道时就发现信道忙，那么它就等到下一个时隙继续监听信道，然后重复上述过程。若产生冲突，则等待一随机时间，然后重新开始发送。314.4 以太网技术各种随机访问协议的信道利用率与负载之间的比较324.4 以太网技术二进制指数退避算法1. 将冲突发生后的时间划分为长度为2的时隙2. 发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时隙再开始重传；3. 发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0，1，2或3个时隙再开始重传；4. 第i次冲突后，在0至2i1间随机地选择一个等待的时隙数，再开始重传；5. 10次冲突后，选择等待的时隙数固定在0至

11、2101间；6. 16次冲突后，发送失败，报告上层。334.4 以太网技术冲突检测时间344.4 以太网技术 成帧技术 将原始的比特流分解到离散的帧中。 四种成帧方法： 字符计数法； 使用字符填充的首尾定界符法； 使用比特填充的首尾标志法； 物理层违例编码法。354.4 以太网技术 字符计数法364.4 以太网技术 使用字符填充的首尾定界符法 用一些特定的标志字符来界定一帧的起始与终止。 所用的特定字符过份依赖于所采用的字符编码集，兼容性比较差。374.4 以太网技术 使用比特填充的首尾标志法 以一组特定的比特模式（如01111110）来标志一帧的起始与终止。384.4 以太网技术 物理层违例

12、编码法 借用违例编码序列来界定帧的起始与终止。 局域网IEEE 802标准中就采用了这种方法。 违法编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。394.4 以太网技术 物理地址 大多数局域网技术使用一种编址方案来提供直接通信。 局域网上的每个站点都分配了一个唯一的数值，叫做物理地址（physical address）或MAC地址（media access address, MAC address）或硬件地址（hardware address） 例：一个以太网物理地址 00-50-8D-EF-26-3D404.4 以太网技术 帧头部和帧格式帧的一般格式

13、MAC帧格式414.4 以太网技术 差错检测机制 循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check, CRC） 通过多项式除法检测错误。 将每个比特串看作一个多项式：解释成多项式424.4 以太网技术 差错检测机制 循环冗余码校验434.4 以太网技术 常用CRC标准多项式444.5 高速局域网技术 快速以太网（100Mbps） 100Base-T 100Base-TX 100Base-T4 100Base-T2 100Base-FX 100Base-VG454.5 高速局域网技术 千兆以太网 1000Base-T 1000Base-SX 1000Base-LX 1000Base

14、-LH 1000Base-CX464.5 高速局域网技术 万兆以太网 10GBase-CX4 10GBase-SR 10GBase-LX4 10GBase-LR和10GBase-ER 10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW 10GBase-T474.6 无线局域网技术 载波监听多路访问/冲突防止(CSMA/CA)Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance 原理 并不依赖于所有计算机都能接收到传输，而是在传输一个包之前先由接收者发送很短的控制消息。使用CSMA/CA技术的无线局域网 484.6 无线局域网

15、技术 无线局域网标准 IEEE 802.11 第一个无线局域网标准 传输速率最高只能达到2Mbps IEEE 802.11a 传输速率654Mbps IEEE 802.11b 传输速率：11Mbps/5.5Mbps/2Mbps/1Mbps IEEE 802.11g 拥有802.11a的传输速率，安全性比802.11b好。494.7 局域网布线系统 网络接口硬件 网络接口卡（Network Interface Card, NIC） ISA（工业标准结构） EISA（扩展的工业标准结构） PCI（外围部件互连）504.7 局域网布线系统 线缆系统常见以太网线缆系统514.8 局域网扩展 中继器（R

16、epeater） 完成物理线路的连接，对衰减的信号进行再生和放大，保持与原数据相同。中继器连接两个以太网524.8 局域网扩展 中继器（Repeater）MR-2000CETHERNET/ IEEE 802.3REPEATER UNITWITHPWRCOLLISION12FAULTCABLE SEGMENTJABPWRPORTRECEIVELANVIEWMR9T802.3 10BASE-TMULTI PORT REPEATERLANVIEWWITHPORT 98X7X6X5X4X3X2X1XPWRCOLRCVLNKMGMT123456789S/NThe Complete Networking

17、solution534.8 局域网扩展 网桥（Bridge） 可以用于扩展网络的距离、在不同介质之间转发数据信号以及隔离不同网段之间的通信； 网桥是为各种局域网之间存储转发数据而设计的； 网桥能处理一个完整的帧；使用网桥连接的两个网段 544.8 局域网扩展 透明网桥 网桥自动了解每个端口所接网段的物理地址（MAC地址），形成一个地址映射表，网桥每次转发帧时，先查地址映射表，如查到，则向相应端口转发，如查不到，则向除接收端口之外的所有端口转发或扩散。554.8 局域网扩展 透明网桥4个局域网和2个网桥的网络配置 564.8 局域网扩展 透明网桥 逆向学习算法（backward learning

18、） 用于得到地址映射表。 原理： 当网桥刚接入时，其地址映射表是空的，此时，网桥采用扩散技术将接收的帧转发到桥的所有端口上（接收端口除外）。透明网桥通过查看转发帧的源地址就可以知道通过哪个LAN可以访问某个站点。574.8 局域网扩展 透明网桥的回路问题 解决方法 让桥相互通信，并用一棵覆盖到每个LAN的生成树（spanning tree）覆盖实际的拓扑结构。两个并行的透明网桥 584.8 局域网扩展 源路由网桥 是由IBM公司针对其802.5令牌环网提出的一种网桥技术。 基本思想 数据包头含路由信息，而该路由信息在源端就已经插入。 源端为获取到目地端的路由，必须通过发送一个特殊的包来发现。5

19、94.8 局域网扩展 交换机（Switch） 是交换速度更快、端口集成度更高、地址缓存更多的多端口网桥，同时提供供全双工通信、流量控制和网络管理等功能。 有一个高速背板，此背板通常被划分成多个以太网段，每个网段由一个模块支持并构成一个冲突域。604.8 局域网扩展 交换机（Switch） 交换技术 端口交换 帧交换 信元交换 主要的指标 端口数量和类型、总交换能力、包交换速度、广域网连接、热切换和容错能力以及是否支持网络管理等。614.8 局域网扩展 交换机（Switch） 直通交换 (cut-through switching） 直通交换是指交换机只取出数据帧的前14个字节，然后根据帧的目的

20、地址将帧转发到相应的端口上。 存储转发交换（store-and-forward switching） 交换机将帧全部取出并缓存起来，然后根据帧的目的地址将其转发到相应的端口上。 624.9简单局域网的设计与组网方法 对等网络 对等网中的每一台设备可以同时是客户机和服务器。 每一台网络计算机与其他连网的计算机是对等（peer）的，它们没有层次的划分。 主要针对一些小型企业，因为它不需要服务器，所以对等网成本较低。 634.9简单局域网的设计与组网方法 客户机/服务器网络 计算机划分为服务器和客户机。 引进了层次结构，为了适应网络规模增大所需的各种支持功能。 通常将基于服务器的网络都称为客户机/服

21、务器网络。 644.9简单局域网的设计与组网方法 无盘工作站网络 没有硬盘、软驱的一种基于服务器的网络结构。 无盘工作站利用网卡上的启动芯片与服务器连接，使用服务器的硬盘空间进行资源共享。 654.9简单局域网的设计与组网方法 对等网络的组建 设备 计算机 网线 网络适配器 集线器/局域网交换机 664.9简单局域网的设计与组网方法 客户/服务器网络的组建 网络结构：星形 设备： 双绞线、网卡、交换机； 服务器、工作站。 网络操作系统 Windows 2000/2003、Unix、Linux等。674.9简单局域网的设计与组网方法 客户/服务器网络的组建 Internet客客户户计计算算机机WebDevAdmin - 1磁带备份设备Admin - 2121314151617181912345678910112021222324Change Hub Speed10Base-T100Base-TXColli